DE112013004655T5

DE112013004655T5 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112013004655T5
Application number: DE112013004655.5T
Authority: DE
Inventors: c/o Semiconductor Energy La Yamazaki Shunpei
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2015-07-02
Also published as: JP2014078706A; CN104662668A; TW202209685A; US11094830B2; WO2014046220A1; CN104662668B; JP2021153204A; US20180083140A1; TWI671910B; JP2019197937A; CN108321209B; TW202005098A; CN108321209A; US9831351B2; US20190326439A1; KR102210578B1; US9269821B2; TW202105748A; KR20210013336A; KR20220027285A

Abstract

Ein Transistor, der eine Oxidhalbleiterschicht beinhaltet, kann stabile elektrische Eigenschaften aufweisen. Außerdem wird eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung, die den Transistor beinhaltet, bereitgestellt. Eine Halbleitervorrichtung beinhaltet einen mehrschichtigen Film, der eine Oxidschicht und eine Oxidhalbleiterschicht umfasst, einen Gate-Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film, und eine Gate-Elektrode, die sich mit dem mehrschichtigen Film überlappt, wobei der Gate-Isolierfilm dazwischen liegt. In der Halbleitervorrichtung enthält die Oxidhalbleiterschicht Indium, die Oxidhalbleiterschicht steht in Kontakt mit der Oxidschicht, und die Oxidschicht enthält Indium und hat eine größere Energielücke als die Oxidhalbleiterschicht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und ein Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung.
Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung eine Halbleitervorrichtung jede Vorrichtung bezeichnet, die unter Nutzung von Halbleitereigenschaften arbeiten kann, wobei eine elektrooptische Vorrichtung, eine Halbleiterschaltung, ein elektronisches Gerät und dergleichen allesamt Halbleitervorrichtungen sind.
Stand der Technik
Eine Technik, mit der ein Transistor unter Verwendung einer Halbleiterschicht ausgebildet wird, die über einem Substrat mit einer isolierenden Oberfläche ausgebildet ist, hat Aufmerksamkeit erregt. Der Transistor wird auf vielfältige Halbleitervorrichtungen angewendet, wie z. B. eine integrierte Schaltung und eine Anzeigevorrichtung. Ein Siliziumfilm ist als Halbleiterschicht weithin bekannt, die für den Transistor verwendbar ist.
Es hängt vom Zweck ab, ob ein amorpher Siliziumfilm oder ein polykristalliner Siliziumfilm als Halbleiterschicht eines Transistors verwendet wird. Beispielsweise wird für einen Transistor in einer großen Anzeigevorrichtung vorzugsweise ein amorpher Siliziumfilm verwendet, da eine Technik zum Ausbilden eines Films auf einem großen Substrat bereits etabliert ist. Andererseits wird für einen Transistor in einer hochleistungsfähigen Anzeigevorrichtung, bei der Treiberschaltungen über demselben Substrat ausgebildet sind, vorzugsweise ein polykristalliner Siliziumfilm verwendet, der zur Herstellung eines Transistors mit einer hohen Feldeffektbeweglichkeit geeignet ist. Als Verfahren zum Ausbilden eines polykristallinen Siliziumfilms ist eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung oder eine Laserbehandlung bekannt, die an einem amorphen Siliziumfilm durchgeführt wird.
Zusätzlich hat in den letzten Jahren eine Oxidhalbleiterschicht Aufmerksamkeit erregt. Beispielsweise ist ein Transistor, der eine Oxidhalbleiterschicht beinhaltet, die Indium, Gallium und Zink enthält und eine Ladungsträgerdichte von niedriger als 10¹⁸/cm³ aufweist, offenbart (siehe Patentdokument 1).
Eine Oxidhalbleiterschicht kann durch ein Sputterverfahren ausgebildet werden und also für einen Transistor in einer großen Anzeigevorrichtung verwendet werden. Außerdem weist ein Transistor, der eine Oxidhalbleiterschicht beinhaltet, eine hohe Feldeffektbeweglichkeit auf. Deshalb kann eine hochleistungsfähige Anzeigevorrichtung erhalten werden, wobei Treiberschaltungen über demselben Substrat gebildet sind. Es gibt auch einen Vorteil, dass die Investitionen verringert werden können, weil ein Teil von Fertigungseinrichtungen für einen Transistor, der einen amorphen Siliziumfilm beinhaltet, nachgerüstet und benutzt werden kann.
Es ist bekannt, dass ein Transistor, der eine Oxidhalbleiterschicht beinhaltet, einen sehr niedrigen Leckstrom aufweist, wenn der Transistor ausgeschaltet ist. Beispielsweise ist eine CPU mit niedrigem Stromverbrauch offenbart, die den niedrigen Leckstrom nutzt, der ein Merkmal des Transistors ist, der eine Oxidhalbleiterschicht beinhaltet (siehe Patentdokument 2).
[Referenz]

[Patentdokument 1] Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2006-165528
[Patentdokument 2] veröffentlichte US Patentanmeldung Nr. 2012/0032730

Offenbarung der Erfindung
Da die Anwendung eines Transistors, der eine Oxidhalbleiterschicht beinhaltet, weitverbreitet ist, wird die Zuverlässigkeit aus vielfältigen Aspekten erfordert. Deshalb ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einen Transistor, der eine Oxidhalbleiterschicht beinhaltet und stabile elektrische Eigenschaften aufweist, zu erzielen. Es ist eine weitere Aufgabe, eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die den Transistor beinhaltet,.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Halbleitervorrichtung einen mehrschichtigen Film, der eine Oxidschicht und eine Oxidhalbleiterschicht umfasst, einen Gate-Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film, und eine Gate-Elektrode, die sich mit dem mehrschichtigen Film überlappt, wobei der Gate-Isolierfilm dazwischen liegt. Die Oxidhalbleiterschicht enthält Indium. Die Oxid halbleiterschicht steht in Kontakt mit der Oxidschicht. Die Oxidschicht enthält Indium und hat eine größere Energielücke als die Oxid halbleiterschicht.
Es sei angemerkt, dass typische Beispiele für die Oxidhalbleiterschicht oder die Oxidschicht, die Indium enthält, ein In-Ga-Oxid, ein In-Zn-Oxid und ein In-M-Zn-Oxid (M ist Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd oder Hf) umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Halbleitervorrichtung einen mehrschichtigen Film, der eine Oxidschicht und eine Oxidhalbleiterschicht umfasst, einen Gate-Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film, und eine Gate-Elektrode, die sich mit dem mehrschichtigen Film überlappt, wobei der Gate-Isolierfilm dazwischen liegt. Die Oxidhalbleiterschicht enthält Indium. Die Oxidhalbleiterschicht steht in Kontakt mit der Oxidschicht. Die Oxidschicht enthält Indium. Eine Energie an einer Untergrenze eines Leitungsbandes der Oxidschicht liegt näher an einem Vakuumniveau als eine Energie an einer Untergrenze eines Leitungsbandes der Oxidhalbleiterschicht. Es sei angemerkt, dass eine Energielücke zwischen einem Vakuumniveau und einer Untergrenze eines Leitungsbandes als Elektronenaffinität bezeichnet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Halbleitervorrichtung einen mehrschichtigen Film, der eine erste Oxidschicht, eine zweite Oxidschicht und eine Oxidhalbleiterschicht umfasst, einen Gate-Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film, und eine Gate-Elektrode, die sich mit dem mehrschichtigen Film überlappt, wobei der Gate-Isolierfilm dazwischen liegt. Die Oxidhalbleiterschicht enthält Indium. Die Oxidhalbleiterschicht steht in Kontakt mit der ersten Oxidschicht. Die erste Oxidschicht enthält Indium und hat eine größere Energielücke als die Oxidhalbleiterschicht. Die Oxidhalbleiterschicht steht in Kontakt mit der zweiten Oxidschicht, die der ersten Oxidschicht zugewandt ist. Die zweite Oxidschicht enthält Indium und hat eine größere Energielücke als die Oxidhalbleiterschicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Halbleitervorrichtung einen mehrschichtigen Film, der eine erste Oxidschicht, eine zweite Oxidschicht und eine Oxidhalbleiterschicht umfasst, einen Gate-Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film, und eine Gate-Elektrode, die sich mit dem mehrschichtigen Film überlappt, wobei der Gate-Isolierfilm dazwischen liegt. Die Oxidhalbleiterschicht enthält Indium. Die Oxidhalbleiterschicht steht in Kontakt mit der ersten Oxidschicht. Die erste Oxidschicht enthält Indium. Eine Energie an einer Untergrenze eines Leitungsbandes der ersten Oxidschicht liegt näher an einem Vakuumniveau als eine Energie an einer Untergrenze eines Leitungsbandes der Oxidhalbleiterschicht. Die Oxidhalbleiterschicht steht in Kontakt mit der zweiten Oxidschicht, die der ersten Oxidschicht zugewandt ist. Die zweite Oxidschicht enthält Indium. Eine Energie an einer Untergrenze eines Leitungsbandes der zweiten Oxidschicht liegt näher an dem Vakuumniveau als die Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidhalbleiterschicht.
Um einen Transistor mit stabilen elektrischen Eigenschaften zu erzielen, in dem ein Kanal in der Oxidhalbleiterschicht gebildet wird, ist es effektiv, dass die Oxidhalbeliterschicht Hochreinigung zu einer hochreinen intrinsischen Oxidhalbleiterschicht unterzogen wird, indem die Konzentration der Verunreinigungen in der Oxidhalbleiterschicht verringert wird. „Erzielen einer hochreinen intrinsischen Oxidhalbleiterschicht” bedeutet „Reinigung oder wesentliche Reinigung der Oxidhalbleiterschicht, so dass die Oxidhalbleiterschicht zu einer intrinsischen oder im Wesentlichen intrinsischen Oxidhalbleiterschicht wird”. Es sei angemerkt, dass im Falle der im Wesentlichen reinen intrinsischen Oxidhalbleiterschicht ihre Ladungsträgerdichte niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³, niedriger als 1 × 10¹⁵/cm³ oder niedriger als 1 × 10¹³/cm³ ist. In der Oxidhalbleiterschicht werden Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium und ein Metallelement, das sich von der Hauptkomponente unterscheidet, zu einer Verunreinigung und erhöhen in einigen Fällen die Ladungsträgerdichte. Um die Konzentration der Verunreinigungen in der Oxidhalbleiterschicht zu verringern, wird vorzugsweise die Konzentration der Verunreinigungen in der ersten Oxidschicht und der dritten Oxidschicht verringert, die der Oxidhalbleiterschicht nahe liegen.
Beispielsweise bildet Silizium ein Verunreinigungsniveau (impurity level) in der Oxidhalbleiterschicht. Das Verunreinigungsniveau wird in einigen Fällen zu einer Einfangsstelle (trap), was elektrische Eigenschaften eines Transistors verschlechtert. Insbesondere wird die Konzentration von Silizium in der Oxidhalbleiterschicht auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt. Es sei angemerkt, dass als Gate-Isolierfilm des Transistors ein Isolierfilm enthaltend Silizium, wie z. B. ein Siliziumoxidfilm, ein Siliziumoxynitridfilm, ein Siliziumnitridfilm oder ein Siliziumnitridoxidfilm, in vielen Fällen verwendet wird; deshalb steht die Oxidhalbleiterschicht vorzugsweise nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm.
Ferner bilden Wasserstoff und Stickstoff in der Oxidhalbleiterschicht Donatorniveaus (donor levels), welche die Ladungsträgerdichte erhöhen.
In dem Fall, in dem ein Kanal an der Grenzfläche zwischen einem Gate-Isolierfilm und einer Oxidhalbleiterschicht gebildet wird, tritt eine Grenzflächenstreuung (interface scattering) an der Grenzfläche auf, wodurch die Feldeffektbeweglichkeit eines Transistors abnimmt. Im Hinblick darauf ist die Oxidhalbleiterschicht vorzugsweise nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm ausgebildet und ist ein Kanal getrennt von dem Gate-Isolierfilm.
Daher kann dann, wenn der Kanal des Transistors von dem Gate-Isolierfilm getrennt ist, der Transistor stabile elektrische Eigenschaften und eine hohe Feldeffektbeweglichkeit aufweisen. Unter Verwendung des Transistors als Schaltelement einer Anzeigevorrichtung kann eine hochzuverlässige Anzeigevorrichtung erhalten werden, da der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweist.
Um den Kanal des Transistors getrennt von dem Gate-Isolierfilm auszubilden, kann beispielsweise der mehrschichtige Film umfassend die Oxidhalbleiterschicht die folgende Struktur aufweisen. Es sei angemerkt, dass die Oxidhalbleiterschicht vorzugsweise mindestens Indium enthält, weil die Ladungsträgerbeweglichkeit erhöht werden kann.
Der mehrschichtige Film umfassend die Oxidhalbleiterschicht umfasst mindestens die Oxidhalbleiterschicht (der Einfachheit halber als zweite Oxidschicht bezeichnet) und die erste Oxidschicht (auch als Sperrschicht bezeichnet) zwischen der zweiten Oxidschicht und dem Gate-Isolierfilm. Die erste Oxidschicht enthält ein oder mehrere Element/e außer Sauerstoff, das/die in der zweiten Oxidschicht enthalten ist/sind. Zudem liegt die Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der ersten Oxidschicht um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher an einem Vakuumniveau als diejenige der zweiten Oxidschicht. Wenn dabei ein elektrisches Feld an die Gate-Elektrode angelegt wird, wird ein Kanal in der zweiten Oxidschicht des mehrschichtigen Films umfassend die Oxidhalbleiterschicht gebildet, deren Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes niedrig ist. Mit anderen Worten: die erste Oxidschicht ist zwischen der zweiten Oxidschicht und dem Gate-Isolierfilm ausgebildet, wodurch ein Kanal des Transistors in einer Schicht gebildet werden kann, die nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm steht (hier in der zweiten Oxidschicht). Da ferner die erste Oxidschicht ein oder mehrere Element/e außer Sauerstoff, das/die in der zweiten Oxidschicht enthalten ist/sind, enthält, ist es unwahrscheinlich, dass eine Grenzflächenstreuung an der Grenzfläche zwischen der zweiten Oxidschicht und der ersten Oxidschicht auftritt. Somit kann der Transistor eine hohe Feldeffektbeweglichkeit aufweisen, da die Bewegung der Ladungsträger an der Grenzfläche nicht behindert wird.
Die erste Oxidschicht kann beispielsweise Aluminium, Silizium, Titan, Gallium, Germanium, Yttrium, Zirconium, Zinn, Lanthan, Cer oder Hafnium in einem höheren Atomanteil enthalten als die zweite Oxidschicht. Im Besonderen ist die Menge eines der vorstehenden Elemente in der ersten Oxidschicht in einem Atomanteil 1,5-mal oder mehr, bevorzugt 2-mal oder mehr, stärker bevorzugt 3-mal oder mehr so groß wie diejenige in der zweiten Oxidschicht in einem Atomanteil. Jedes der vorstehenden Elemente wird an Sauerstoff fest gebunden und hat somit eine Funktion zum Unterdrücken der Erzeugung einer Sauerstofffehlstelle in der ersten Oxidschicht. Das heißt: eine Sauerstofffehlstelle wird weniger wahrscheinlich in der ersten Oxidschicht erzeugt als in der zweiten Oxidschicht.
Wenn alternativ jede der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht ein In-M-Zn-Oxid ist und die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht In, M und Zn in einem Atomverhältnis von x₁:y₁:z₁ bzw. einem Atomverhältnis von x₂:y₂:z₂ enthalten, muss y₁/x₁ größer sein als y₂/x₂. Es sei angemerkt, dass das Element M ein Metallelement ist, dessen Bindungsstärke an Sauerstoff größer ist als diejenige von In, und Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd und Hf können als Beispiele angegeben werden. Vorzugsweise werden die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht derart ausgewählt, dass y₁/x₁ 1,5-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Stärker vorzugsweise werden die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht derart ausgewählt, dass y₁/x₁ 2-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Noch stärker vorzugsweise werden die erste Oxidschicht und die zweite Oxidschicht derart ausgewählt, dass y₁/x₁ 3-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Dabei ist in der zweiten Oxidschicht y₁ bevorzugt größer als oder gleich x₁, weil der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann. Jedoch wird dann, wenn y₁ 3-mal oder mehr so groß wie x₁ ist, die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors verringert; folglich ist y₁ bevorzugt gleich x₁ oder kleiner als das Dreifache von x₁.
Die Dicke der ersten Oxidschicht ist größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm. Die Dicke der zweiten Oxidschicht ist größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 200 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, stärker bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm.
Alternativ kann der mehrschichtige Film umfassend die Oxidhalbleiterschicht eine dritte Oxidschicht (auch als Sperrschicht bezeichnet) umfassen, die dem Gate-Isolierfilm zugewandt ist und in Kontakt mit einem Isolierfilm und der zweiten Oxidschicht steht. Die dritte Oxidschicht enthält ein oder mehrere Elemente außer Sauerstoff, das/die in der zweiten Oxidschicht enthalten ist/sind. Zudem liegt die Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der dritten Oxidschicht um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher an einem Vakuumniveau als diejenige der zweiten Oxidschicht. Wenn dabei ein elektrisches Feld an die Gate-Elektrode angelegt wird, wird kein Kanal in der dritten Oxidschicht gebildet. Da ferner die dritte Oxidschicht ein oder mehrere Element/e außer Sauerstoff, das/die in der zweiten Oxidschicht enthalten ist/sind, enthält, ist es unwahrscheinlich, dass ein Grenzflächenniveau an der Grenzfläche zwischen der zweiten Oxidschicht und der dritten Oxidschicht gebildet wird. Wenn die Grenzfläche ein Grenzflächenniveau aufweist, wird in einigen Fallen ein zweiter Transistor ausgebildet, in dem die Grenzfläche als Kanal dient und der eine andere Schwellenspannung hat; folglich wird die scheinbare Schwellenspannung des Transistors geändert. Mit der dritten Oxidschicht können daher Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der Transistoren, wie z. B. einer Schwellenspannung, verringert werden. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem die dritte Oxidschicht enthalten ist, in einigen Fallen der mehrschichtige Film umfassend die Oxidhalbleiterschicht nicht die erste Oxidschicht umfassen muss.
Die dritte Oxidschicht kann beispielsweise Aluminium, Silizium, Titan, Gallium, Germanium, Yttrium, Zirconium, Zinn, Lanthan, Cer oder Hafnium in einem höheren Atomanteil enthalten als die zweite Oxidschicht. Im Besonderen ist die Menge eines der vorstehenden Elemente in der dritten Oxidschicht in einem Atomanteil 1,5-mal oder mehr, bevorzugt 2-mal oder mehr, stärker bevorzugt 3-mal oder mehr so groß wie diejenige in der zweiten Oxidschicht in einem Atomanteil. Jedes der vorstehenden Elemente wird an Sauerstoff fest gebunden und hat somit eine Funktion zum Unterdrücken der Erzeugung einer Sauerstofffehlstelle in der dritten Oxidschicht. Das heißt: eine Sauerstofffehlstelle wird weniger wahrscheinlich in der dritten Oxidschicht erzeugt als in der zweiten Oxidschicht.
Wenn alternativ jede der zweiten Oxidschicht und der dritten Oxidschicht ein In-M-Zn-Oxid ist und die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht In, M und Zn in einem Atomverhältnis von x₂:y₂:z₂ bzw. einem Atomverhältnis von x₃:y₃:z₃ enthalten, muss y₃/x₃ größer sein als y₂/x₂. Es sei angemerkt, dass das Element M ein Metallelement ist, dessen Bindungsstärke an Sauerstoff größer ist als diejenige von In, und Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd und Hf können als Beispiele angegeben werden. Vorzugsweise werden die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht derart ausgewählt, dass y₃/x₃ 1,5-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Stärker vorzugsweise werden die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht derart ausgewählt, dass y₃/x₃ 2-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Noch stärker vorzugsweise werden die zweite Oxidschicht und die dritte Oxidschicht derart ausgewählt, dass y₃/x₃ 3-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Dabei ist in der zweiten Oxidschicht y₂ bevorzugt größer als oder gleich x₂, weil der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann. Jedoch wird dann, wenn y₂ 3-mal oder mehr so groß wie x₂ ist, die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors verringert; folglich ist y₂ bevorzugt gleich x₂ oder kleiner als das Dreifache von x₂.
Die Dicke der dritten Oxidschicht ist größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm.
Es sei angemerkt, dass die erste Oxidschicht oder die dritte Oxidschicht in Kontakt mit einer Source-Elektrode (einem Source-Bereich) und einer Drain-Elektrode (einem Drain-Bereich) des Transistors bereitgestellt ist.
Wenn die Source-Elektrode (der Source-Bereich) und die Drain-Elektrode (der Drain-Bereich) des Transistors in Kontakt mit mindestens Seitenkanten der Oxidhalbleiterschicht bereitgestellt sind, stehen die Source-Elektrode (der Source-Bereich) und die Drain-Elektrode (der Drain-Bereich) in Kontakt mit einem Kanalbildungsbereich, was bevorzugt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Transistor mit stabilen elektrischen Eigenschaften mit einem mehrschichtigen Film umfassend eine Oxidhalbleiterschicht zu erzielen. Es ist auch möglich, eine hochzuverlässige Halbleitervorrichtung, die den Transistor beinhaltet, bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen mehrschichtigen Film nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 zeigt ToF-SIMS-Ergebnisse eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A bis 3C zeigen jeweils Diffusion von Sauerstoff in einem mehrschichtigen Film nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt die Anzahl der Teilchen in einer Oxidschicht und einer Oxidhalbleiterschicht nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5A und 5B zeigen jeweils eine Bandstruktur eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A und 6B zeigen jeweils eine Bandstruktur eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine Bandstruktur eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8A bis 8D sind jeweils ein mit einem TEM erhaltenes Transmissionselektronenbild eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9A bis 9D sind jeweils ein mit einem TEM erhaltenes Transmissionselektronenbild eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10A und 10B zeigen einen Zustand, in dem ein gesputtertes Teilchen von einem Target abgetrennt wird.
11A und 11B zeigen ein Beispiel für eine Kristallstruktur eines In-Ga-Zn-Oxids.
12A und 12B sind schematische Diagramme, die einen Zustand zeigen, in dem ein gesputtertes Teilchen eine Abscheidungsoberfläche erreicht und abgeschieden wird.
13A und 13B zeigen CPM-Messergebnisse eines mehrschichtigen Films nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine Filmausbildungseinrichtung zeigt.
15A bis 15C sind Querschnittsansichten, die ein Beispiel für eine Filmausbildungskammer und dergleichen zeigen.
16A bis 16D sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten, die eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
17A bis 17C sind Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
18A und 18B sind Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
19A bis 19C sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten, die eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
20A bis 20C sind Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
21A und 21B sind Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
22A und 22B zeigen jeweils Vg-Id-Eigenschaften eines Transistors.
23A und 23B zeigen jeweils Ergebnisse eines Gate-BT-Tests.
24 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
25 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
26A bis 26C sind Blockdiagramme, die ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
27A bis 27C zeigen jeweils ein Beispiel für ein elektronisches Gerät nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen nachstehend ausführlich beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die folgende Beschreibung beschränkt, und es wird von Fachleuten leicht verstanden, dass die Modi und Details auf verschiedene Weisen geändert werden können. Ferner sollte die vorliegende Erfindung nicht als auf die Beschreibung bei der folgenden Ausführungsform beschränkt angesehen werden. Beim Beschreiben der Strukturen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen gemeinsam für dieselben Teile in verschiedenen Zeichnungen verwendet. Es sei angemerkt, dass dasselbe Schraffurmuster bei ähnlichen Teilen verwendet wird und dass die ähnlichen Teile in einigen Fällen nicht besonders mit Bezugszeichen bezeichnet werden.
Außerdem werden die Ordinalzahlen, wie z. B. „erster” und „zweiter”, in dieser Beschreibung der Einfachheit halber verwendet und bezeichnen nicht die Reihenfolge von Schritten oder die Reihenfolge der gestapelten Schichten. Des Weiteren bezeichnen die Ordinalzahlen in dieser Beschreibung keine besonderen Namen, die die vorliegende Erfindung bestimmen.
Es sei angemerkt, dass in vielen Fällen eine Spannung einen Potentialunterschied zwischen einem bestimmten Potential und einem Referenzpotential (z. B. einem Erdpotential (GND) oder einem Source-Potential) bezeichnet. Eine Spannung kann deshalb auch Potential genannt werden.
Auch wenn der Ausdruck „elektrisch verbunden” verwendet wird, gibt es einen Fall, in dem keine physikalische Verbindung gebildet ist und eine Leitung einfach in einer tatsächlichen Schaltung verläuft.
Wenn ferner beispielsweise die Stromflussrichtung im Schaltungsbetrieb geändert wird, könnten die Funktionen einer Source und eines Drains miteinander vertauscht werden. Daher können die Begriffe „Source” und „Drain” bei dieser Beschreibung miteinander vertauscht werden.
Die Beschreibungen bei dieser Ausführungsform können soweit erforderlich miteinander kombiniert werden.
<1. Mehrschichtiger Film umfassend Oxidhalbleiterschicht>
Ein mehrschichtiger Film umfassend eine Oxidhalbleiterschicht, der für einen Transistor verwendet wird, wird anhand von 1 beschrieben.
<1-1. Struktur des mehrschichtigen Films>
In diesem Abschnitt wird die Struktur des mehrschichtigen Films beschrieben.
Ein mehrschichtiger Film 106 in 1 umfasst eine Oxidschicht 106a, eine Oxidhalbleiterschicht 106b über der Oxidschicht 106a und eine Oxidschicht 106c über der Oxidhalbleiterschicht 106b. Es sei angemerkt, dass, obwohl der mehrschichtige Film 106 in der nachstehenden Beschreibung drei Schichten aufweist, der mehrschichtige Film 106 zwei Schichten oder vier oder mehr Schichten aufweisen kann. Beispielsweise kann der mehrschichtige Film 106 ein zweischichtiger Film sein, der die Oxidschicht 106a und die Oxidhalbleiterschicht 106b über der Oxidschicht 106a umfasst. Alternativ kann der mehrschichtige Film 106 auch ein zweischichtiger Film sein, der die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c über der Oxidhalbleiterschicht 106b umfasst.
<1-2. Zusammensetzung und Verunreinigungen>
In diesem Abschnitt werden die Konzentrationen von Silizium in den Schichten, die in dem mehrschichtigen Film 106 enthalten sind, anhand von 2 beschrieben.
Hier wurde die Oxidschicht 106a durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Die Oxidhalbleiterschicht 106b wurde durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:1:1) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 300°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Die Oxidschicht 106c wurde durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Der mehrschichtige Film 106 ist über einem Siliziumwafer bereitgestellt, und eine Probe, die keiner Wärmebehandlung unterzogen worden ist, und eine Probe, die einer Wärmebehandlung zwei Stunden lang bei 450°C unterzogen worden ist, werden hergestellt. 2 zeigt die Sekundärionenintensitäten von In, Ga und Zn in einer Tiefenrichtung und die Siliziumkonzentration (Atome/cm³) in einer Tiefenrichtung, die aus der Sekundärionenintensität von SiO₃ umgerechnet ist, der Proben, welche durch ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie, time-of-flight secondary ion mass spectrometry) gemessen werden. Der mehrschichtige Film 106 umfasst die Oxidschicht 106a mit einer Dicke von 10 nm, die Oxidhalbleiterschicht 106b mit einer Dicke von 10 nm über der Oxidschicht 106a und die Oxidschicht 106c mit einer Dicke von 10 nm über der Oxidhalbleiterschicht 106b.
2 zeigt, dass die Zusammensetzungen der Schichten, die in dem mehrschichtigen Film 106 enthalten sind, abhängig von den Zusammensetzungen der jeweiligen Targets, die zum Zeitpunkt der Filmausbildung verwendet werden, variieren. Es sei angemerkt, dass die Zusammensetzungen der Schichten nicht einfach unter Verwendung von 2 verglichen werden können.
2 deutet darauf hin, dass die Grenzfläche zwischen dem Siliziumwafer und der Oxidschicht 106a des mehrschichtigen Films 106 und die obere Oberfläche der Oxidschicht 106c höhere Siliziumkonzentrationen aufweisen. Darüber hinaus zeigt 2, dass die Konzentration von Silizium in der Oxidhalbleiterschicht 106b etwa 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ ist, welche die untere Nachweisgrenze der ToF-SIMS ist. Das liegt wahrscheinlich daran, dass dank des Vorhandenseins der Oxidschichten 106a und 106c die Oxidhalbleiterschicht 106b von Silizium, das von dem Siliziumwafer oder der Oberflächenverschmutzung kommt, nicht beeinflusst wird.
Ferner deutet der Vergleich der Probe, die der Wärmebehandlung unterzogen wurde, mit einer Probe „wie abgeschieden (as-deposited)” (die Probe, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wurde, wird als „as-depo” in 2 bezeichnet) darauf hin, dass Silizium hauptsächlich zum Zeitpunkt der Filmausbildung eintritt und es einen geringen Effekt von Siliziumdiffusion durch die Wärmebehandlung gibt.
Es ist effektiv, die Oxidhalbeliterschicht 106b Hochreinigung zu unterziehen, so dass sie zu einer hochreinen intrinsischen Oxidhalbleiterschicht wird und ein Transistor, der den mehrschichtigen Film 106 beinhaltet, stabile elektrische Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann die Ladungsträgerdichte der Oxidhalbleiterschicht 106b auf niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³, niedriger als 1 × 10¹⁵/cm³ oder niedriger als 1 × 10¹³/cm³ eingestellt werden. In der Oxidhalbleiterschicht 106b werden Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium und ein Metallelement, das sich von der Hauptkomponente unterscheidet, zu einer Verunreinigung. Um die Konzentration der Verunreinigungen in der Oxidhalbleiterschicht 106b zu verringern, wird vorzugsweise die Konzentration der Verunreinigungen in den Oxidschichten 106a und 106b, die der Oxidhalbleiterschicht 106b nahe liegen, auf einen Wert verringert, der fast gleich demjenigen in der Oxidhalbleiterschicht 106b ist.
Im Besonderen wird dann, wenn Silizium in der Oxidhalbleiterschicht 106b mit einer hohen Konzentration enthalten ist, ein Verunreinigungsniveau wegen Silizium in der Oxidhalbleiterschicht 106b gebildet. Das Verunreinigungsniveau wird in einigen Fällen zu einer Einfangsstelle, was elektrische Eigenschaften des Transistors verschlechtert. Um die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Transistors zu verringern, kann die Konzentration von Silizium in der Oxidhalbleiterschicht 106b auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt werden. Des Weiteren werden die Konzentrationen von Silizium an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 106a und der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Grenzfläche zwischen der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106c jeweils auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt.
Ferner bilden Wasserstoff und Stickstoff in der Oxidhalbleiterschicht 106b Donatorniveaus, welche die Ladungsträgerdichte erhöhen. Damit die Oxidhalbleiterschicht 106b intrinsisch oder im Wesentlichen intrinsisch sein kann, wird die Konzentration von Wasserstoff in der Oxidhalbleiterschicht 106b, die durch SIMS gemessen wird, auf niedriger als oder gleich 2 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt. Die Konzentration von Stickstoff in der Oxidhalbleiterschicht 106b, die durch SIMS gemessen wird, wird auf niedriger als 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn Silizium und Kohlenstoff in der Oxidhalbleiterschicht 106b mit einer hohen Konzentration enthalten sind, die Kristallinität der Oxidhalbleiterschicht 106b in einigen Fällen verringert wird. Damit die Kristallinität der Oxidhalbleiterschicht 106b nicht verringert wird, kann die Konzentration von Silizium in der Oxidhalbleiterschicht 106b auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt werden. Damit die Kristallinität der Oxidhalbleiterschicht 106b nicht verringert wird, kann ferner die Konzentration von Kohlenstoff in der Oxidhalbleiterschicht 106b auf niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt werden. Die Kristallinität des mehrschichtigen Films 106 wird später beschrieben.
Eine Sauerstofffehlstelle in der Oxidhalbleiterschicht und der Oxidschicht verhält sich in einigen Fällen wie eine Verunreinigung. Hier wird Diffusion von Sauerstoff in dem mehrschichtigen Film 106 durch eine Wärmebehandlung bei 350°C oder eine Wärmebehandlung bei 450°C anhand von 3A bis 3C beschrieben.
3A bis 3C zeigen jeweils SIMS-Messergebnisse von Konzentrationsverteilung von ¹⁸O in einer Tiefenrichtung in Proben, bei denen eine der Schichten in dem mehrschichtigen Film 106 mittels eines ¹⁸O₂-Gases ausgebildet wird.
Hier wird die Oxidschicht 106a durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:1:1) ausgebildet.
Die Oxidhalbleiterschicht 106b wird durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 3:1:2) ausgebildet.
Die Oxidschicht 106c wird durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:1:1) ausgebildet.
Hier zeigt 3A ¹⁸O-Konzentrationsverteilungen in einer Tiefenrichtung der Oxidschicht 106a, der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Grenzfläche dazwischen von Proben, in denen jeweils ein ¹⁸O₂-Gas zum Ausbilden der Oxidschicht 106a verwendet wird, aber kein ¹⁸O₂-Gas zum Ausbilden der anderen Schichten verwendet wird. Die SIMS-Messergebnisse zeigen das Folgende: Mehr ¹⁸O diffundiert von der Oxidschicht 106a in die Oxidhalbleiterschicht 106b in einer Probe, die der Wärmebehandlung bei 350°C unterzogen wird (als „nach Wärmebehandlung bei 350°C” mit einer durchgezogenen Linie dargestellt), und einer Probe, die der Wärmebehandlung bei 450°C unterzogen wird (als „nach Wärmebehandlung bei 450°C” mit einer gestrichelten Linie dargestellt), als in einer Probe, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wird (als „as-depo” mit einer Punktlinie dargestellt).
3B zeigt ¹⁸O-Konzentrationsverteilungen in einer Tiefenrichtung der Oxidhalbleiterschicht 106b, der Oxidschicht 106c und der Grenzfläche dazwischen von Proben, in denen jeweils ein ¹⁸O₂-Gas zum Ausbilden der Oxidhalbleiterschicht 106b verwendet wird, aber kein ¹⁸O₂-Gas zum Ausbilden der anderen Schichten verwendet wird. Die SIMS-Messergebnisse zeigen das Folgende: Mehr ¹⁸O diffundiert von der Oxidhalbleiterschicht 106b in die Oxidschicht 106c in einer Probe, die der Wärmebehandlung bei 350°C unterzogen wird (als „nach Wärmebehandlung bei 350°C” mit einer durchgezogenen Linie dargestellt), und einer Probe, die der Wärmebehandlung bei 450°C unterzogen wird (als „nach Wärmebehandlung bei 450°C” mit einer gestrichelten Linie dargestellt), als in einer Probe, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wird (als „as-depo” mit einer Punktlinie dargestellt).
3C zeigt ¹⁸O-Konzentrationsverteilungen in einer Tiefenrichtung der Oxidschicht 106a, der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Grenzfläche dazwischen von Proben, in denen jeweils ein ¹⁸O₂-Gas zum Ausbilden der Oxidhalbleiterschicht 106b verwendet wird, aber kein ¹⁸O₂-Gas zum Ausbilden der anderen Schichten verwendet wird. Die SIMS-Messergebnisse zeigen das Folgende: Mehr 180 diffundiert von der Oxidhalbleiterschicht 106b in die Oxidschicht 106a in einer Probe, die der Wärmebehandlung bei 450°C unterzogen wird (als „nach Wärmebehandlung bei 450°C” mit einer gestrichelten Linie dargestellt), als in einer Probe, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wird (als „as-depo” mit einer Punktlinie dargestellt) und in einer Probe, die der Wärmebehandlung bei 350°C unterzogen wird (als „nach Wärmebehandlung bei 350°C” mit einer durchgezogenen Linie dargestellt).
Wie in 3A bis 3C gezeigt, diffundiert Sauerstoff in dem mehrschichtigen Film 106 von einer Schicht in die andere Schicht.
<1-3. Oxidschicht>
Als Nächstes wurde eine Oxidschicht, die für jede der Oxidschichten 106a und 106c verwendbar ist, die in dem mehrschichtigen Film 106 verwendet werden, durch ein Sputterverfahren ausgebildet, und die Anzahl der Teilchen mit einer Größe von 1 μm oder mehr wurde gemessen.
Die folgenden Proben wurden gemessen: eine Probe, die unter Verwendung eines Galliumoxidtargets ausgebildet wurde; eine Probe, die unter Verwendung eines Targets aus Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von Ga zu Zn ist 2:5) ausgebildet wurde; eine Probe, die unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxid-(das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 3:1:2)Targets ausgebildet wurde; eine Probe, die unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:1:1) ausgebildet wurde; und eine Probe, die unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet wurde.
4 zeigt, dass in der Probe, die unter Verwendung eines Galliumoxidtargets ausgebildet wurde, und der Probe, die unter Verwendung eines Ga-Zn-Oxid-Targets ausgebildet wurde, die Anzahl der Teilchen mit einer Größe von 1 μm oder mehr schnell ansteigt, wenn die Dicke der Oxidschicht erhöht wird. Im Gegenteil dazu ist es unwahrscheinlich, dass in den Proben, die unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxid-Targets ausgebildet wurden, die Anzahl der Teilchen mit einer Größe von 1 μm oder mehr schnell ansteigt, auch wenn die Dicke der Oxidschicht erhöht wird.
Deshalb wird in dem Fall, in dem die Oxidschicht durch ein Sputterverfahren ausgebildet wird, ein Target, das Indium enthält, hinsichtlich einer Erhöhung der Anzahl der Teilchen vorzugsweise verwendet. Außerdem wird vorzugsweise ein Oxidtarget verwendet, in dem der Anteil von Gallium in dem Atomverhältnis von In zu Ga und Zn relativ klein ist. Insbesondere kann in dem Fall, in dem ein Target, das Indium enthält, verwendet wird, die Leitfähigkeit des Targets erhöht werden, und Gleichstromentladung und Wechselstromentladung werden vereinfacht; daher kann Filmausbildung über einem großen Substrat leicht durchgeführt werden. Folglich können Halbleitervorrichtungen mit verbesserter Produktivität hergestellt werden.
<1-4. Bandstruktur>
In diesem Abschnitt wird die Bandstruktur des mehrschichtigen Films 106 anhand von 5A und 5B sowie 6A und 6B beschrieben.
Es sei angemerkt, dass die Oxidschicht 106a unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxids mit einer Energielücke von 3,15 eV ausgebildet wurde, die Oxidhalbleiterschicht 106b unter Verwendung eines In-Ga-Zn-Oxids mit einer Energielücke von 2,8 eV ausgebildet wurde, und die Oxidschicht 106c unter Verwendung einer Oxidschicht ausgebildet wurde, deren physikalische Eigenschaften denjenigen der Oxidschicht 106a ähnlich sind. Außerdem waren die Energielücke in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 106a und der Oxidhalbleiterschicht 106b und die Energielücke in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 106c und der Oxidhalbleiterschicht 106b jeweils 3 eV. Die Energielücken wurden unter Verwendung eines spektroskopischen Ellipsometers (UT-300, hergestellt von HORIBA JOBIN YVON SAS.) gemessen. Die Dicken der Oxidschicht 106a, der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106c waren jeweils 10 nm.
In 5A wurde die Energielücke zwischen einem Vakuumniveau und einer Obergrenze eines Valenzbandes jeder Schicht gemessen, während der mehrschichtige Film 106 von der Seite der Oxidschicht 106c geätzt wurde, und die Energielücke wurde grafisch dargestellt. Die Energielücke zwischen dem Vakuumniveau und der Obergrenze des Valenzbandes wurde mittels eines Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie-(UPS-)Geräts (VersaProbe, hergestellt von ULVAC-PHI, Inc.) gemessen.
In 5B wurde ein Wert grafisch dargestellt, der derart erhalten wurde, dass eine Energielücke zwischen dem Vakuumniveau und einer Untergrenze eines Leitungsbandes jeder Schicht durch Substrahieren der Energielücke jeder Schicht von der Energielücke zwischen dem Vakuumniveau und der Obergrenze des Valenzbandes berechnet wurde.
Ein Teil der Bandstruktur in 5B ist schematisch in 6A gezeigt. 6A zeigt den Fall, in dem Siliziumoxidfilme in Kontakt mit den Oxidschichten 106a und 106c bereitgestellt sind. Hier stellt EcI1 die Energie der Untergrenze des Leitungsbandes des Siliziumoxidfilms dar, EcS1 stellt die Energie der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidschicht 106a dar, EcS2 stellt die Energie der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidhalbleiterschicht 106b dar, EcS3 stellt die Energie der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidschicht 106c dar, und EcI2 stellt die Energie der Untergrenze des Leitungsbandes des Siliziumoxidfilms dar.
Wie in 6A gezeigt, ändern sich die Energien der Untergrenzen der Leitungsbänder der Oxidschicht 106a, der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106b stetig. Dies kann auch aus den Ergebnissen in 3A bis 3C verstanden werden, nämlich, dass Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 106a und der Oxidhalbleiterschicht 106b und an der Grenzfläche zwischen Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106c diffundiert.
Es sei angemerkt, dass 6A den Fall zeigt, in dem die Oxidschichten 106a und 106c ähnliche physikalische Eigenschaften aufweisen; die Oxidschichten 106a und 106c können jedoch unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist ein Teil der Bandstruktur in dem Fall, in dem EcS1 eine höhere Energie hat als EcS3, in 6B gezeigt. Alternativ kann, obwohl in 6A und 6B nicht dargestellt, EcS3 eine höhere Energie haben als EcS1.
Gemäß 5A und 5B sowie 6A und 6B dient die Oxidhalbleiterschicht 106b des mehrschichtigen Films 106 als Wanne, und ein Kanal des Transistors, der den mehrschichtigen Film 106 beinhaltet, ist in der Oxidhalbleiterschicht 106b gebildet. Es sei angemerkt, dass, da sich die Energien der Untergrenzen der Leitungsbänder stetig ändern, der mehrschichtige Film 106 auch als U-förmige Wanne bezeichnet werden kann.
Es sei angemerkt, dass, obwohl Einfangniveaus (trap levels) aufgrund von Verunreinigungen oder Defekten in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen einem Isolierfilm, wie z. B. einem Siliziumoxidfilm, und jeder der Oxidschichten 106a und 106c, wie in 7 gezeigt, gebildet werden könnten, die Oxidhalbleiterschicht 106b von den Einfangniveaus getrennt sein kann, da die Oxidschichten 106a und 106c vorhanden sind. Jedoch könnte dann, wenn die Energielücke zwischen EcS1 oder EcS3 und EcS2 klein ist, ein Elektron über die Energielücke hinüber das Einfangniveau erreichen. Wenn das Elektron im Einfangniveau eingefangen wird, wird eine negative feste Ladung an der Grenzfläche zu dem Isolierfilm erzeugt, wodurch die Schwellenspannung des Transistors in positiver Richtung verschoben wird.
Daher sind die Energielücke zwischen EcS1 und EcS2 und die Energielücke zwischen EcS3 und EcS2 jeweils bevorzugt größer als oder gleich 0,1 eV, stärker bevorzugt größer als oder gleich 0,15 eV, da die Menge der Veränderung der Schwellenspannung des Transistors verringert wird und der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweist.
<1-5. Kristallinität>
Vorzugsweise weist mindestens die Oxidhalbleiterschicht 106b des mehrschichtigen Films 106 Kristallinität auf. Mit der Oxidhalbleiterschicht 106b mit Kristallinität kann der Transistor, der den mehrschichtigen Film 106 beinhaltet, im Vergleich zum Fall der Oxidhalbleiterschicht 106b ohne Kristallinität stabile elektrische Eigenschaften aufweisen. In diesem Abschnitt wird ein Beispiel beschrieben, in dem die Oxidhalbleiterschicht 106b in dem mehrschichtigen Film 106 Kristallinität aufweist.
<1-5-1. TEM-Auswertung der Kristallanordnung>
Hierbei wurde hinsichtlich der Kristallinität des mehrschichtigen Films 106 Atomanordnung oder dergleichen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) ausgewertet. Die Beschreibung wird im Folgenden anhand von 8A bis 8D sowie 9A bis 9D gegeben.
Hier wurde die Oxidschicht 106a durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Die Oxidhalbleiterschicht 106b wurde durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:1:1) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 300°C oder 400°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Die Oxidschicht 106c wurde durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
8A bis 8D sowie 9A bis 9D sind Transmissionselektronenbilder von Proben, die jeweils den mehrschichtigen Film 106 über einem Siliziumoxidfilm über einem Siliziumwafer, der das Substrat ist, beinhalten. Es sei angemerkt, dass sich die ausgewerteten Proben in 8A bis 8D und die ausgewerteten Proben in 9A bis 9D voneinander nur darin unterscheiden, dass die Temperaturen des Substrats beim Ausbilden der Oxidhalbleiterschicht 106b 300°C (8A bis 8D) und 400°C (9A bis 9D) sind. Es sei angemerkt, dass jede Probe nach der Filmausbildung keiner Wärmebehandlung unterzogen wurde. Die Transmissionselektronenbilder wurden mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Hitachi H-9500 gemessen.
Hier umfasst der mehrschichtige Film 106 ein In-Ga-Zn-Oxid mit einer Dicke von 20 nm als die Oxidschicht 106a, ein In-Ga-Zn-Oxid mit einer Dicke von 15 nm als die Oxidhalbleiterschicht 106b und ein In-Ga-Zn-Oxid mit einer Dicke von 5 nm als die Oxidschicht 106c. 8A ist ein Transmissionselektronenbild, das die Oxidschicht 106a, die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c umfasst. 8B ist ein vergrößertes Bild eines Teils in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106c, 8C ist ein vergrößertes Bild eines Teils in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 106a und der Oxidhalbleiterschicht 106b, und 8D ist ein vergrößertes Bild eines Teils in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen dem Siliziumoxidfilm und der Oxidschicht 106a. In ähnlicher Weise ist 9A ein Transmissionselektronenbild, das die Oxidschicht 106a, die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c umfasst. 9B ist ein vergrößertes Bild eines Teils in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106c, 9C ist ein vergrößertes Bild eines Teils in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht 106a und der Oxidhalbleiterschicht 106b, und 9D ist ein vergrößertes Bild eines Teils in der Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen dem Siliziumoxidfilm und der Oxidschicht 106a.
Gemäß 8A bis 8D sowie 9A bis 9D hatten die Oxidschichten 106a und 106c keinen deutlichen Kristallbereich. Außerdem war die Oxidhalbleiterschicht 106b vollständig kristallin mit einem hohen Grad der Kristallinität von der Grenzfläche zu der Oxidschicht 106a bis zu der Grenzfläche zu der Oxidschicht 106c. Es sei angemerkt, dass gefunden wurde, dass die Atome in dem Kristallbereich der Oxidhalbleiterschicht 106b geschichtet in einer Ebene parallel zur oberen Oberfläche der Oxidhalbleiterschicht 106b angeordnet waren. Darüber hinaus wurde keine deutliche Korngrenze zwischen Kristallbereichen in der Oxidhalbleiterschicht 106b beobachtet. Des Weiteren wurde gefunden, dass die Oxidhalbleiterschicht 106b in 9A bis 9D einen höheren Grad der Kristallinität hatte als die Oxidhalbleiterschicht 106b in 8A bis 8D.
Die Tatsache, dass die Oxidhalbleiterschicht 106b kristallin war, passt auch zu den ToF-SIMS-Ergebnissen in 2, d. h., dass die Kristallinität der Oxidhalbleiterschicht 106b nicht verringert wurde, wahrscheinlich weil der Eintritt von Silizium in die Oxidhalbleiterschicht 106b verringert wurde, da die Oxidschichten 106a und 106c vorhanden waren.
Auf diese Weise scheint es so, dass die Oxidhalbleiterschicht 106b, in der ein Kanal gebildet wird, einen hohen Grad der Kristallinität aufweist und es wenige Niveaus aufgrund Verunreinigungen oder Defekten gibt; somit hat der Transistor, der den mehrschichtigen Film 106 beinhaltet, stabile elektrische Eigenschaften.
<1-5-2. Modell für Kristallwachstum>
Hier wird das Modell für Kristallwachstum in der Oxidhalbleiterschicht 106b mit einem hohen Grad der Kristallinität anhand von 10A und 10B, 11A und 11B sowie 12A und 12B beschrieben.
10A ist ein schematisches Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem ein Ion 1001 mit einem Target 1000, das einen polykristallinen Oxidhalbleiter mit hoher Ausrichtung enthält, kollidiert, um gesputterte Teilchen 1002 mit Kristallinität von dem Sputtertarget 1000 abzutrennen. Ein Kristallkorn hat eine Spaltungsebene, die zu einer Oberfläche des Targets 1000 parallel ist. Zudem hat das Kristallkorn einen Bereich, in dem eine interatomare Bindung schwach ist. Wenn das Ion 1001 mit dem Kristallkorn kollidiert, wird eine interatomare Bindung des Bereichs, in dem eine interatomare Bindung schwach ist, durchgeschnitten. Folglich wird das gesputterte Teilchen 1002 erzeugt, das entlang der Spaltungsebene und dem Bereich, in dem eine interatomare Bindung schwach ist, durchgeschnitten wird und in Form einer flachen Platte (oder eines Pellets) abgetrennt wird. Es sei angemerkt, dass der äquivalente Kreisdurchmesser einer flachen Ebene des gesputterten Teilchens 1002 größer als oder gleich 1/3000 und kleiner als oder gleich 1/20, bevorzugt größer als oder gleich 1/1000 und kleiner als oder gleich 1/30 einer durchschnittlichen Korngröße der Kristallkörner ist. Hier bedeutet der Ausdruck „äquivalenter Kreisdurchmesser einer Ebene” den Durchmesser eines kompletten Kreises mit der gleichen Fläche wie die Ebene.
Wenn ein Teil des Kristallkorns als Teilchen von einer Spaltungsebene abgetrennt wird und einem Plasma ausgesetzt wird, beginnt alternativ ein Durchschneiden einer Bindung an der Position, wo eine interatomare Bindung schwach ist, so dass eine Vielzahl von gesputterten Teilchen 1002 erzeugt wird.
Unter Verwendung eines Sauerstoffkations als das Ion 1001 kann Plasma-Beschädigung bei der Filmausbildung gemildert werden. Deshalb kann dann, wenn das Ion 1001 mit der Oberfläche des Targets 1000 kollidiert, eine Verringerung der Kristallinität des Targets 1000 unterdrückt werden, oder ein Übergang des Targets 1000 in einen amorphen Zustand kann unterdrückt werden.
11A zeigt eine Kristallstruktur eines In-Ga-Zn-Oxids, das in einer Richtung beobachtet wird, die parallel zu einer a-b-Ebene des Kristalls ist, als Beispiel für das Target 1000, das einen polykristallinen Oxidhalbleiter mit hoher Orientierung enthält. 11B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs, der durch eine gestrichelte Linie in 11A umgeben ist.
Beispielsweise ist in einem Kristallkorn eines In-Ga-Zn-Oxids eine Spaltungsebene eine Ebene zwischen einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht, wie in 11B gezeigt ist. Die erste Schicht enthält ein Galliumatom und/oder Zinkatom und ein Sauerstoffatom, und die zweite Schicht enthält ein Galliumatom und/oder Zinkatom und ein Sauerstoffatom. Das liegt daran, dass Sauerstoffatome mit einer negativen Ladung in der ersten Schicht und Sauerstoffatome mit einer negativen Ladung in der zweiten Schicht einander nahe liegen (siehe umrandete Bereiche in 11B). Auf diese Weise ist die Spaltungsebene parallel zur a-b-Ebene. Außerdem ist der in 11A und 11B gezeigte Kristall des In-Ga-Zn-Oxids ein hexagonaler Kristall; somit ist es wahrscheinlich, dass das einer flachen Platte ähnliche Kristallkorn eine Form eines hexagonalen Prismas mit einer regelmäßigen hexagonalen Ebene hat, deren Innenwinkel 120° ist.
Vorzugsweise sind die abgetrennten gesputterten Teilchen 1002 positiv geladen. Es gibt keine besondere Beschränkung bezüglich eines Zeitpunktes, wenn das gesputterte Teilchen 1002 positiv geladen wird; jedoch wird das gesputterte Teilchen 1002 vorzugsweise durch Empfangen einer elektrischen Ladung bei der Kollision des Ions 1001 positiv geladen. Alternativ wird in dem Fall, in dem ein Plasma erzeugt wird, das gesputterte Teilchen 1002 vorzugsweise einem Plasma ausgesetzt, um positiv geladen zu werden. Alternativ wird das Ion 1001, das ein Sauerstoffkation ist, vorzugsweise an eine Seitenfläche, eine nach oben weisende Oberfläche oder eine Grundfläche des gesputterten Teilchens 1002 gebunden, wodurch das gesputterte Teilchen 1002 positiv geladen wird.
Ein Zustand, in dem gesputterte Teilchen an einer Abscheidungsoberfläche abgeschieden werden, wird nachstehend anhand von 12A und 12B beschrieben. Es sei angemerkt, dass in 12A und 12B gesputterte Teilchen, die schon abgeschieden worden sind, durch Punktlinien dargestellt sind.
In 12A ist eine Abscheidungsoberfläche 1003 eine Oberfläche, an der einige Oxidhalbleiterschichten abgeschieden werden. Wie in 12A gezeigt werden in dem Fall, in dem die gesputterten Teilchen 1002 positiv geladen sind, die gesputterten Teilchen 1002 in einem Bereich der Abscheidungsoberfläche 1003, in dem noch kein gesputtertes Teilchen 1002 abgeschieden worden ist, abgeschieden. Das liegt daran, dass die gesputterten Teilchen 1002, die positiv geladen sind, einander abstoßen.
12B ist eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie X-Y in 12A. Die gesputterten Teilchen 1002, die auf die vorstehende Weise abgeschieden werden, haben Kristalle, deren c-Achsen in einer Richtung ausgerichtet sind, die senkrecht zu der Abscheidungsoberfläche 1003 ist; folglich ist die Oxidhalbleiterschicht 106b eine Schicht aus einem bezüglich einer c-Achse ausgerichteten kristallinen Oxidhalbleiter (c-axis aligned crystalline Oxide semiconductor, CAAC-OS).
Eine Oxidhalbleiterschicht, die durch Abscheidung auf die vorstehende Weise erhalten wird, hat eine regelmäßige Dicke und eine regelmäßige Kristallorientierung. Die gesputterten Teilchen werden nicht wahllos abgeschieden. Die gesputterten Teilchen, die positiv geladen sind, beeinflussen einander und werden geordnet abgeschieden, so dass c-Achsen in einer Richtung, die senkrecht zu der Abscheidungsoberfläche ist, ausgerichtet sind.
Wenn das Target, das einen polykristallinen Oxidhalbleiter mit hoher Orientierung enthält, auf die vorstehende Weise verwendet wird, kann die Oxidhalbleiterschicht 106b mit einer regelmäßigen Dicke und einer regelmäßigen Kristallorientierung ausgebildet werden. Die Details einer Sputtereinrichtung werden später beschrieben.
Die CAAC-OS-Schicht ist einer von Oxidhalbleiterfilmen, die eine Vielzahl von Kristallbereichen enthalten, und die meisten Kristallbereiche passen jeweils in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 100 nm. Deswegen gibt es einen Fall, in dem ein Kristallbereich in der CAAC-OS-Schicht in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 10 nm, weniger als 5 nm oder weniger als 3 nm passt. Die Dichte der Defektzustände der CAAC-OS-Schicht ist niedrig. Die CAAC-OS-Schicht wird ausführlich nachstehend beschrieben.
In einem TEM-Bild des CAAC-OS-Films ist eine Grenzfläche zwischen Kristallbereichen, d. h. eine Korngrenze, nicht deutlich wahrnehmbar. Folglich ist weniger wahrscheinlich, dass in der CAAC-OS-Schicht eine Verringerung der Elektronenbeweglichkeit wegen der Korngrenze entsteht.
Dem TEM-Bild der CAAC-OS-Schicht zufolge, das in einer Richtung betrachtet wird, die im Wesentlichen parallel zu einer Probenoberfläche ist (Querschnitt-TEM-Bild, cross-sectional TEM image), sind Metallatome geschichtet in den Kristallbereichen angeordnet. Jede Metallatomlage weist eine Gestalt auf, die durch eine Oberfläche, über der die CAAC-OS-Schicht ausgebildet ist (eine Oberfläche, über der die CAAC-OS-Schicht ausgebildet ist, wird nachstehend als Ausbildungsoberfläche bezeichnet), oder eine nach oben weisende Oberfläche der CAAC-OS-Schicht widergespiegelt wird, und jede Metallatomlage ist parallel zu der Ausbildungsoberfläche oder der nach oben weisenden Oberfläche der CAAC-OS-Schicht angeordnet.
Andererseits sind dem TEM-Bild der CAAC-OS-Schicht zufolge, das in einer Richtung betrachtet wird, die im Wesentlichen senkrecht zu der Probenoberfläche ist (Flächen-TEM-Bild, plan TEM image), Metallatome in einer dreieckigen oder hexagonalen Konfiguration in den Kristallbereichen angeordnet. Zwischen unterschiedlichen Kristallbereichen gibt es jedoch keine Regelmäßigkeit der Anordnung der Metallatome.
Aus den Ergebnissen des Querschnitt-TEM-Bildes und des Flächen-TEM-Bildes wird eine Ausrichtung in den Kristallbereichen in der CAAC-OS-Schicht gefunden.
Eine CAAC-OS-Schicht wird einer Strukturanalyse mittels eines Röntgenbeugungs-Geräts (XRD apparatus) unterzogen. Wenn beispielsweise die CAAC-OS-Schicht, die einen InGaZnO₄-Kristall enthält, durch ein Out-of-Plane-Verfahren (out-of-plane method) analysiert wird, erscheint oft ein Peak, wenn der Beugungswinkel (2θ) ungefähr 31° beträgt. Dieser Peak stammt aus der (009)-Ebene des InGaZnO₄-Kristalls, was darauf hindeutet, dass Kristalle in der CAAC-OS-Schicht eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse aufweisen und dass die c-Achsen in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbildungsoberfläche oder der nach oben weisenden Oberfläche der CAAC-OS-Schicht ist.
Andererseits erscheint dann, wenn die CAAC-OS-Schicht durch ein In-Plane-Verfahren (in-plane method) analysiert wird, in dem ein Röntgenstrahl in eine Probe in einer Richtung eintritt, die im Wesentlichen senkrecht zur c-Achse ist, oft ein Peak, wenn 2θ ungefähr 56° beträgt. Dieser Peak stammt aus der (110)-Ebene des InGaZnO₄-Kristalls. Hier wird die Analyse (ϕ-Scan) unter Bedingungen durchgeführt, wobei die Probe um einen Normalenvektor einer Probenoberfläche als Achse (Achse) gedreht wird, wobei 2θ auf ungefähr 56° festgelegt wird. In dem Fall, in dem die Probe ein einkristalliner Oxidhalbleiterfilm aus InGaZnO₄ ist, erscheinen sechs Peaks. Die sechs Peaks stammen aus Kristallebenen, die der (110)-Ebene entsprechen. Dagegen wird im Fall einer CAAC-OS-Schicht ein Peak nicht deutlich beobachtet, auch wenn ein ϕ-Scan durchgeführt wird, wobei 2θ auf ungefähr 56° festgelegt wird.
Nach den obigen Ergebnissen sind in der CAAC-OS-Schicht mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse die c-Achsen in einer Richtung, die parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche ist, ausgerichtet, während die Richtungen von a-Achsen und b-Achsen zwischen Kristallbereichen verschieden sind. Jede Metallatomlage, die im Querschnitt-TEM-Bild als geschichtet angeordnet beobachtet wird, entspricht daher einer Ebene, die parallel zur a-b-Ebene des Kristalls ist.
Es sei angemerkt, dass der Kristallbereich gleichzeitig mit einer Abscheidung der CAAC-OS-Schicht gebildet wird oder durch eine Kristallisierungsbehandlung, wie z. B. eine Wärmebehandlung gebildet wird. Wie oben beschrieben worden ist, ist die c-Achse des Kristalls in einer Richtung parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche ausgerichtet. Deshalb könnte beispielsweise in dem Fall, in dem eine Form der CAAC-OS-Schicht durch Ätzen oder dergleichen geändert wird, die c-Achse nicht immer parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche der CAAC-OS-Schicht sein.
Zudem ist der Grad der Kristallinität in der CAAC-OS-Schicht nicht notwendigerweise gleichmäßig. Zum Beispiel ist in dem Fall, in dem das Kristallwachstum zum Ausbilden der CAAC-OS-Schicht von der Nachbarschaft der nach oben weisenden Oberfläche der Schicht aus beginnt, der Grad der Kristallinität in der Nachbarschaft der nach oben weisenden Oberfläche unter Umständen höher als derjenige in der Nachbarschaft der Ausbildungsoberfläche. Ferner wird dann, wenn der CAAC-OS-Schicht eine Verunreinigung zugesetzt wird, die Kristallinität in einem Bereich, dem die Verunreinigung zugesetzt wird, geändert, und der Grad der Kristallinität in der CAAC-OS-Schicht variiert in Abhängigkeit vom Ort.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn die einen InGaZnO₄-Kristall enthaltende CAAC-OS-Schicht durch ein Out-of-Plane-Verfahren (out-of-plane method) analysiert wird, auch ein Peak von 2θ bei ungefähr 36° zusätzlich zu dem Peak von 2θ bei ungefähr 31° beobachtet werden kann. Der Peak von 2θ bei ungefähr 36° deutet darauf hin, dass ein Kristall ohne Ausrichtung bezüglich der c-Achse in einem Teil der CAAC-OS-Schicht enthalten ist. Vorzugsweise erscheint in der CAAC-OS-Schicht ein Peak von 2θ bei ungefähr 31° und erscheint kein Peak von 2θ bei ungefähr 36°.
In einem Transistor, der die CAAC-OS-Schicht verwendet, ist die Veränderung der elektrischen Eigenschaften infolge Bestrahlung mit sichtbarem Licht oder UV-Licht klein. Folglich weist der Transistor eine hohe Zuverlässigkeit auf.
<1-6. Dichte von lokalisierten Niveaus>
Indem die Dichte der lokalisierten Niveaus in dem mehrschichtigen Film 106 verringert wird, kann der Transistor, der den mehrschichtigen Film 106 beinhaltet, stabile elektrische Eigenschaften erhalten. In diesem Abschnitt wurde die Dichte der lokalisierten Niveaus in dem mehrschichtigen Film 106 durch eine Methode des konstanten Photostroms (constant photocurrent method, CPM) gemessen.
Damit der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann, ist der Absorptionskoeffizient infolge des lokalisierten Niveaus des mehrschichtigen Films 106, der durch CPM gemessen wird, bevorzugt niedriger als 1 × 10^–3 cm^–1, stärker bevorzugt niedriger als 3 × 10^–4 cm^–1.
Eine Probe, an der eine CPM-Messung durchgeführt wurde, wird nachstehend beschrieben.
Die Oxidschicht 106a wurde durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Die Oxidhalbleiterschicht 106b wurde durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:1:1) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Die Oxidschicht 106c wurde durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Um die Genauigkeit der CPM-Messung zu verbessern, braucht hier der mehrschichtige Film 106 eine gewisse Dicke. Insbesondere wurden die Dicken der Oxidschicht 106a, der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106c, die in dem mehrschichtigen Film 106 enthalten sind, auf 30 nm, 100 nm bzw. 30 nm eingestellt.
Bei der CPM-Messung wird die Menge an Licht, mit dem eine Oberfläche der Probe zwischen Anschlüssen bestrahlt wird, derart reguliert, dass ein Photostromwert in dem Zustand konstant gehalten wird, in dem eine Spannung zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angelegt wird, die in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film 106 ist, der die Probe ist, und dann wird ein Absorptionskoeffizient aus der Menge an Bestrahlungslicht bei jeder Wellenlänge abgeleitet. Wenn die Probe einen Defekt hat, wird bei der CPM-Messung der Absorptionskoeffizient wegen der Energie erhöht, die dem Niveau entspricht, auf dem sich der Defekt befindet (aus der Wellenlänge berechnet). Die Erhöhung des Absorptionskoeffizienten wird mit einer Konstante multipliziert, wodurch die Defektdichte der Probe erhalten werden kann.
13A zeigt Ergebnisse einer Anpassung (fitting) des Absorptionskoeffizienten (gestrichelte Linie), der unter Verwendung eines Spektrophotometers gemessen wurde, und des Absorptionskoeffizienten (durchgezogene Linie), der durch CPM im Bereich einer Energie gemessen wurde, die höher als oder gleich der Energielücke jeder Schicht in dem mehrschichtigen Film 106 ist. Es sei angemerkt, dass die Urbach-Energie, die aufgrund des durch CPM gemessenen Absorptionskoeffizienten erhalten wird, 78,7 meV betrug. Der integrale Wert des Absorptionskoeffizienten in dem Energiebereich wurde derart abgeleitet, dass ein Hintergrund (Punktlinie) von dem Absorptionskoeffizienten substrahiert wurde, der mittels CPM in dem Energiebereich gemessen wurde, der durch einen gestrichelten Kreis in 13A gezeigt ist (siehe 13B). Als Ergebnis fand man, dass der Absorptionskoeffizient wegen des lokalisierten Niveaus dieser Probe 2,02 × 10^–4 cm^–1 betrug.
Das lokalisierte Niveau, das hier erhalten wurde, stammt wahrscheinlich aus einer Verunreinigung oder einem Defekt. Gemäß der vorstehenden Beschreibung gibt es äußerst wenige Niveaus aufgrund einer Verunreinigung oder eines Defekts in dem mehrschichtigen Film 106. Das heißt, dass der Transistor, der den mehrschichtigen Film 106 beinhaltet, stabile elektrische Eigenschaften aufweist.
<1-7. Herstellungseinrichtung>
Eine Filmausbildungseinrichtung zum Ausbilden der Oxidhalbleiterschicht 106b mit einem hohen Grad der Kristallinität wird nachstehend beschrieben.
Zunächst wird eine Struktur einer Filmausbildungseinrichtung, die wenige Verunreinigungen in einen Film zum Zeitpunkt der Filmausbildung eintreten lässt, anhand von 14 sowie 15A bis 15C beschrieben.
14 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Ein-Wafer-Mehrkammer-Filmausbildungseinrichtung 4000 darstellt. Die Filmausbildungseinrichtung 4000 beinhaltet eine atmosphärenseitige Substratzufuhrkammer 4001, die einen Kassettenport 4101 zum Halten eines Substrats und einen Ausrichtungsport 4102 zum Durchführen der Ausrichtung eines Substrats umfasst, eine atmosphärenseitige Substrattransferkammer 4002, über die ein Substrat von der atmosphärenseitigen Substratzufuhrkammer 4001 transportiert wird, eine Load-Lock-Kammer 4003a, wo ein Substrat geleitet wird und der Druck in der Kammer vom Atmosphärendruck auf einen verringerten Druck oder von verringertem Druck auf Atmosphärendruck umgeschaltet wird, eine Unload-Lock-Kammer 4003b, wo ein Substrat abgeleitet wird und der Druck in der Kammer von verringertem Druck auf Atmosphärendruck oder von Atmosphärendruck auf verringerten Druck umgeschaltet wird, eine Transferkammer 4004, über die ein Substrat im Vakuum transportiert wird, eine Substraterwärmungskammer 4005, in der ein Substrat erwärmt wird, und Filmausbildungskammern 4006a, 4006b und 4006c, in denen jeweils ein Target zur Filmausbildung angeordnet ist.
Es sei angemerkt, dass eine Vielzahl der Kassettenports 4101 wie in 14 angeordnet sein kann (in 14 sind drei Kassettenports 4101 angeordnet).
Die atmosphärenseitige Substrattransferkammer 4002 ist mit der Load-Lock-Kammer 4003a und der Unload-Lock-Kammer 4003b verbunden, die Load-Lock-Kammer 4003a und die Unload-Lock-Kammer 4003b sind mit der Transferkammer 4004 verbunden, und die Transferkammer 4004 ist mit der Substraterwärmungskammer 4005 und den Filmausbildungskammern 4006a, 4006b und 4006c verbunden.
Gate-Ventile 4104 sind für Verbindungsabschnitte zwischen Kammern derart vorgesehen, dass jede Kammer außer der atmosphärenseitigen Substratzufuhrkammer 4001 und der atmosphärenseitigen Substrattransferkammer 4002 unabhängig in einem Vakuumzustand gehalten werden kann. Außerdem beinhalten die atmosphärenseitige Substrattransferkammer 4002 und die Transferkammer 4004 jeweils einen Transferroboter 4103, mit dem ein Glassubstrat transportiert werden kann.
Ferner dient die die Substraterwärmungskammer 4005 vorzugsweise ebenfalls als Plasmabehandlungskammer. Bei der Filmausbildungseinrichtung 4000 ist es möglich, ein Substrat zu transportieren, ohne dass es der Luft zwischen Behandlungen ausgesetzt wird; es kann also die Adsorption von Verunreinigungen an einem Substrat unterdrückt werden. Darüber hinaus kann die Reihenfolge von Filmausbildung, Wärmebehandlung oder dergleichen frei bestimmt werden. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der Transferkammern, die Anzahl der Filmausbildungskammern, die Anzahl der Load-Lock-Kammern, die Anzahl der Unload-Lock-Kammern und die Anzahl der Substraterwärmungskammern nicht auf das Vorbeschriebene beschränkt sind, und die Anzahl je nach Bedarf in Abhängigkeit vom Raum zur Platzierung oder von den Prozessbedingungen eingestellt werden kann.
Als Nächstes sind 15A, 15B und 15C eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie X1-X2, eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie Y1-Y2 bzw. eine Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie Y2-Y3 in der Filmausbildungseinrichtung 4000 in 14.
15A zeigt einen Querschnitt der Substraterwärmungskammer 4005 und der Transferkammer 4004, und die Substraterwärmungskammer 4005 beinhaltet eine Vielzahl von Erwärmungstischen 4105, die ein Substrat halten können. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der Erwärmungstische 4105 in 15A sieben ist; sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann größer als oder gleich eins und kleiner als sieben, oder größer als oder gleich acht sein. Es ist bevorzugt, die Anzahl der Erwärmungstische 4105 zu erhöhen, weil eine Vielzahl von Substraten gleichzeitig einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann, was zu einer Erhöhung der Produktivität führt. Die Substraterwärmungskammer 4005 ist ferner mit einer Vakuumpumpe 4200 durch ein Ventil verbunden. Als die Vakuumpumpe 4200 können beispielsweise eine Trockenpumpe und eine mechanische Boosterpumpe verwendet werden.
Als Erwärmungsmechanismus, der für die Substraterwärmungskammer 4005 verwendet werden kann, kann beispielsweise eine Widerstandsheizung für eine Erwärmung verwendet werden. Alternativ kann eine Wärmeleitung oder Wärmestrahlung aus einem Medium, wie z. B. einem erwärmten Gas, als Erwärmungsmechanismus verwendet werden. Beispielsweise kann eine Einrichtung für schnelle thermische Ausheilung (rapid thermal annealing, RTA), wie z. B. eine Einrichtung für schnelle thermische Ausheilung mit Gas (gas rapid thermal annealing, GRTA) oder eine Einrichtung für schnelle thermische Ausheilung mit Lampe (lamp rapid thermal annealing, LRTA), verwendet werden. Die LRTA-Einrichtung ist eine Einrichtung zum Erwärmen eines Gegenstandes durch Bestrahlung mit Licht (einer elektromagnetischen Welle), das von einer Lampe, wie z. B. einer Halogenlampe, einer Metallhallidlampe, einer Xenonbogenlampe, einer Kohlenstoffbogenlampe, einer Hochdrucknatriumlampe oder einer Hochdruckquecksilberlampe, emittiert wird. Bei der GRTA-Einrichtung wird eine Wärmebehandlung unter Verwendung eines Hochtemperaturgases durchgeführt. Ein Inertgas wird als das Gas verwendet.
Darüber hinaus ist die Substraterwärmungskammer 4005 mit einem Refiner 4301 durch eine Massenströmungssteuerung 4300 verbunden. Es sei angemerkt, dass, obwohl die Massenströmungssteuerung 4300 und der Refiner 4301 für jede der mehreren Gasarten vorgesehen sein können, der besseren Verständlichkeit halber nur eine Massenströmungssteuerung 4300 und ein Refiner 4301 vorgesehen sind. Als Gas, das in die Substraterwärmungskammer 4005 eingeführt wird, kann ein Gas, dessen Taupunkt –80°C oder niedriger, bevorzugt –100°C oder niedriger ist, verwendet werden; zum Beispiel werden ein Sauerstoffgas, ein Stickstoffgas und ein Edelgas (z. B. ein Argongas) verwendet.
Die Transferkammer 4004 beinhaltet den Transferroboter 4103. Der Transferroboter 4103 beinhaltet eine Vielzahl von beweglichen Teilen und einen Arm zum Halten eines Substrats und kann ein Substrat zu jeder Kammer transportieren. Die Transferkammer 4004 ist ferner mit einer Vakuumpumpe 4200 und einer Kryopumpe 4201 durch Ventile verbunden. Bei einer derartigen Struktur kann eine Evakuierung unter Verwendung der Vakuumpumpe 4200 durchgeführt werden, wenn der Druck in der Transferkammer 4004 im Bereich des Atmosphärendrucks bis zu einem niedrigen Vakuum (etwa 0,1 Pa bis mehrere hundert Pa) liegt, und es kann sodann durch Umschalten der Ventile eine Evakuierung unter Verwendung der Kryopumpe 4201 durchgeführt werden, wenn der Druck in der Transferkammer 4004 im Bereich von einem mittleren Vakuum zum Ultrahochvakuum (0,1 Pa bis 1 × 10^–7 Pa) liegt.
Alternativ können zwei oder mehr Kryopumpen 4201 parallel zueinander mit der Transferkammer 4004 verbunden sein. Bei einer derartigen Struktur kann auch dann, wenn eine der Kryopumpen in Regeneration ist, eine Evakuierung unter Verwendung einer beliebigen der anderen Kryopumpen durchgeführt werden. Es sei angemerkt, dass die oben beschriebene Regeneration eine Behandlung zum Ableiten von Molekülen (oder Atomen) bezeichnet, die in einer Kryopumpe eingeschlossen sind,. Wenn zu viele Moleküle (oder Atome) in einer Kryopumpe eingeschlossen sind, wird die Evakuierungsfähigkeit der Kryopumpe gesenkt. Daher wird regelmäßig eine Regeneration durchgeführt.
15B ist ein Querschnitt der Filmausbildungskammer 4006b, der Transferkammer 4004 und der Load-Lock-Kammer 4003a.
Hierbei werden die Details der Filmausbildungskammer (Sputterkammer) anhand von 15B beschrieben. Die Filmausbildungskammer 4006b in 15B beinhaltet ein Target 4106, eine Anlagerungs-Schutzplatte 4107 und einen Substrattisch 4108. Es sei angemerkt, dass hier ein Substrat 4109 an dem Substrattisch 4108 angeordnet ist. Obwohl nicht gezeigt ist, kann der Substrattisch 4108 einen Substrathaltemechanismus, der das Substrat 4109 halt, ein hinteres Heizgerät, das das Substrat 4109 von der Rückfläche erwärmt, oder dergleichen beinhalten.
Es sei angemerkt, dass der Substrattisch 4108 im Wesentlichen senkrecht zu einem Boden während der Filmausbildung gehalten wird und dann, wenn das Substrat geliefert wird, im Wesentlichen parallel zum Boden gehalten wird. In 15B wird die Position, in der der Substrattisch 4108 gehalten wird, wenn das Substrat geliefert wird, durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Bei einer derartigen Struktur kann unterdrückt werden, dass Staub oder ein Teilchen, der/das bei der Filmausbildung eintreten könnte, an dem Substrat 4109 haftet, im Vergleich zu dem Fall, in dem der Substrattisch 4108 parallel zum Boden gehalten wird. Jedoch könnte das Substrat 4109 fallen, wenn der Substrattisch 4108 senkrecht (90°) zu dem Boden gehalten wird; deshalb ist der Winkel zwischen dem Substrattisch 4108 und dem Boden vorzugsweise größer als oder gleich 80° und kleiner als 90°.
Die Anlagerungs-Schutzplatte 4107 kann unterdrücken, dass ein Teilchen, das von dem Target 4106 gesputtert wird, an einem Bereich abgeschieden wird, wo eine Abscheidung nicht benötigt wird. Die Anlagerungs-Schutzplatte 4107 wird des Weiteren vorzugsweise verarbeitet, um zu verhindern, dass akkumulierte gesputterte Teilchen abgelöst werden. Zum Beispiel kann eine Strahlbehandlung, die eine Oberflächenrauheit erhöht, durchgeführt werden, oder die Rauheit kann an der Oberfläche der Anlagerungs-Schutzplatte 4107 ausgebildet werden.
Die Filmausbildungskammer 4006b ist mit einer Massenströmungssteuerung 4300 über ein Gaserwärmungssystem 4302 verbunden, und das Gaserwärmungssystem 4302 ist mit einem Refiner 4301 über die Massenströmungssteuerung 4300 verbunden. Mit dem Gaserwärmungssystem 4302 kann ein Gas, das in die Filmausbildungskammer 4006b eingeführt wird, auf eine Temperatur von höher als oder gleich 40°C und niedriger als oder gleich 400°C, bevorzugt höher als oder gleich 50°C und niedriger als oder gleich 200°C erwärmt werden. Es sei angemerkt, dass, obwohl das Gaserwärmungssystem 4302, die Massenströmungssteuerung 4300 und der Refiner 4301 für jede der mehreren Gasarten vorgesehen sein können, der besseren Verständlichkeit halber nur ein Gaserwärmungssystem 4302, eine Massenströmungssteuerung 4300 und ein Refiner 4301 vorgesehen sind. Als Gas, das in die Filmausbildungskammer 4006b eingeführt wird, kann ein Gas, dessen Taupunkt –80°C oder niedriger, bevorzugt –100°C oder niedriger ist, verwendet werden; zum Beispiel werden ein Sauerstoffgas, ein Stickstoffgas und ein Edelgas (z. B. ein Argongas) verwendet.
Eine Sputtereinrichtung vom Facing-Target-Typ kann in der Filmausbildungskammer 4006b bereitgestellt sein. Bei jeder der oben beschriebenen Strukturen der Sputtereinrichtung vom Facing-Target-Typ wird ein Plasma zwischen den Targets eingeschlossen; deshalb kann ein Plasmaschaden an einem Substrat reduziert werden. Außerdem kann die Stufenabdeckung verbessert werden, weil ein Eintrittswinkel eines gesputterten Teilchens hinsichtlich des Substrats abhängig von der Neigung des Targets verringert werden kann.
Es sei angemerkt, dass eine Sputtereinrichtung vom Parallel-Platten-Typ oder eine Ionenstrahl-Sputtereinrichtung in der Filmausbildungskammer 4006b bereitgestellt sein kann.
In dem Fall, in dem der Refiner vorgesehen ist, genau bevor das Gas eingeführt wird, ist die Länge eines Rohrs zwischen dem Refiner und der Filmausbildungskammer 4006b kleiner als oder gleich 10 m, bevorzugt kleiner als oder gleich 5 m, stärker bevorzugt kleiner als oder gleich 1 m. Wenn die Länge des Rohrs kleiner als oder gleich 10 m, kleiner als oder gleich 5 m oder kleiner als oder gleich 1 m ist, kann der Einfluss des abgegebenen Gases aus dem Rohr dementsprechend reduziert werden. Als Rohr für das Gas kann ein Metallrohr verwendet werden, dessen Innenseite mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid oder dergleichen bedeckt ist. Mit dem vorbeschriebenen Rohr ist die Menge des Verunreinigungen enthaltenden abgegebenen Gases klein, und es kann der Eintritt von Verunreinigungen in das Gas beispielsweise im Vergleich zu einem SUS316L-EP-Rohr verringert werden. Des Weiteren kann eine ultrakompakte Hochleistungsmetalldichtungsverbindung (UPG-Verbindung) als Rohrverbindung verwendet werden. Eine Struktur, bei der alle Materialien des Rohrs Metalle sind, ist bevorzugt, da der Einfluss des erzeugten abgegebenen Gases oder der externen Leckage im Vergleich zu einer Struktur, bei der Harz oder dergleichen verwendet wird, verringert werden kann.
Die Filmausbildungskammer 4006b ist mit einer Turbomolekularpumpe 4202 und einer Vakuumpumpe 4200 durch Ventile verbunden.
Darüber hinaus ist die Filmausbildungskammer 4006b mit einer Kryofalle (cryotrap) 4110 versehen.
Die Kryofalle 4110 ist ein Mechanismus, der ein Molekül (oder ein Atom) mit einem relativ hohen Schmelzpunkt, wie z. B. Wasser, adsorbieren kann. Die Turbomolekularpumpe 4202 kann ein groß bemessenes Molekül (oder Atom) stabil evakuieren, benötigt eine niedrige Wartungshäufigkeit und ermöglicht damit eine hohe Produktivität, wohingegen sie nur wenig zur Evakuierung von Wasserstoff und Wasser geeignet ist. Daher ist die Kryofalle 4110 mit der Filmausbildungskammer 4006b verbunden, um eine starke Fähigkeit bei der Evakuierung von Wasser oder dergleichen zu erzielen. Die Temperatur eines Kühlers der Kryofalle 4110 wird auf niedriger als oder gleich 100 K, bevorzugt niedriger als oder gleich 80 K eingestellt. In dem Fall, in dem die Kryofalle 4110 eine Vielzahl von Kühlern beinhaltet, wird die Temperatur jeweiliger Kühler vorzugsweise auf verschiedene Temperaturen eingestellt, da eine effiziente Evakuierung möglich ist. Beispielsweise kann die Temperatur eines Kühlers der ersten Stufe auf niedriger als oder gleich 100 K eingestellt werden, und die Temperatur eines Kühlers der zweiten Stufe kann auf niedriger als oder gleich 20 K eingestellt werden.
Es sei angemerkt, dass das Evakuierungsverfahren der Filmausbildungskammer 4006b nicht auf das oben beschriebene Verfahren beschränkt ist, und eine Struktur, die derjenigen bei dem Evakuierungsverfahren der Transferkammer 4004 ähnlich ist (das Evakuierungsverfahren mittels der Kryopumpe und der Vakuumpumpe), verwendet werden kann. Natürlich kann das Evakuierungsverfahren der Transferkammer 4004 eine Struktur, die derjenigen der Filmausbildungskammer 4006b ähnlich ist (das Evakuierungsverfahren mittels der Turbomolekularpumpe und der Vakuumpumpe), aufweisen.
Es sei angemerkt, dass in jeder der vorstehenden Transferkammer 4004, der Substraterwärmungskammer 4005 und der Filmausbildungskammer 4006b der Rückdruck (Totaldruck) und der Partialdruck jedes Gasmoleküls (Atoms) vorzugsweise wie folgt eingestellt werden. Im Besonderen muss die Aufmerksamkeit auf den Rückdruck und den Partialdruck jedes Gasmoleküls (Atoms) in der Filmausbildungskammer 4006b gerichtet werden, weil Verunreinigungen in einen auszubildenden Film eintreten könnten.
In jeder der vorstehenden Kammern ist der Rückdruck (Totaldruck) niedriger als oder gleich 1 × 10^–4 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–5 Pa, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa. In jeder der vorstehenden Kammern ist der Partialdruck eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 18 niedriger als oder gleich 3 × 10^–5 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa. Außerdem ist in jeder der vorstehenden Kammern der Partialdruck eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 28 niedriger als oder gleich 3 × 10^–5 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa. Des Weiteren ist in jeder der vorstehenden Kammern der Partialdruck eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 44 niedriger als oder gleich 3 × 10^–5 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–5 Pa, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa.
Es sei angemerkt, dass ein Totaldruck und ein Partialdruck in einer Vakuumkammer unter Verwendung eines Massenanalysators gemessen werden können. Es kann beispielsweise der Qulee CGM-051, ein Quadrupolmassenanalysator (der auch als Q-mass bezeichnet wird) verwendet werden, der von ULVAC, Inc. hergestellt wird,.
Darüber hinaus weisen die vorstehende Transferkammer 4004, die Substraterwärmungskammer 4005 und die Filmausbildungskammer 4006b vorzugsweise eine kleine Menge der externen Leckage oder internen Leckage auf.
Beispielsweise ist in jeder der vorstehenden Transferkammer 4004, der Substraterwärmungskammer 4005 und der Filmausbildungskammer 4006b die Leckrate niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa·m³/s, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–6 Pa·m³/s. Die Leckrate eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 18 ist niedriger als oder gleich 1 × 10^–7 Pa·m³/s, bevorzugt niedriger als oder gleich 3 × 10^–8 Pa·m³/s. Die Leckrate eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 28 ist niedriger als oder gleich 1 × 10^–6 Pa·m³/s, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–6 Pa·m³/s. Die Leckrate eines Gasmoleküls (Atoms) mit einem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 44 ist niedriger als oder gleich 3 × 10^–6 Pa·m³/s, bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10^–6 Pa·m³/s.
Es sei angemerkt, dass eine Leckrate aus dem Totaldruck und dem Partialdruck hergeleitet werden kann, die unter Verwendung des Massenanalysators gemessen werden.
Die Leckrate hängt von einer externen Leckage und einer internen Leckage ab. Die externe Leckage betrifft das Einströmen von Gas von außerhalb eines Vakuumsystems durch ein winziges Loch, einen Dichtungsdefekt oder dergleichen. Die interne Leckage rührt von einer Leckage durch eine Unterteilung, wie z. B. ein Ventil, in einem Vakuumsystem oder von Gas her, das von einem internen Element abgegeben wird. Es müssen Maßnahmen sowohl hinsichtlich der externen Leckage als auch der internen Leckage getroffen werden, damit die Leckrate auf niedriger als oder gleich dem vorbeschriebenen Wert eingestellt wird.
Es kann beispielsweise ein Öffnungs-/Schließ-Abschnitt der Filmausbildungskammer 4006b mit einer Metalldichtung abgedichtet werden. Bei der Metalldichtung wird vorzugsweise Metall, das mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid oder Chromoxid bedeckt ist, verwendet. Die Metalldichtung ermöglicht eine größere Anhaftung als ein O-Ring, was zu einer Verringerung der externen Leckage führt. Des Weiteren wird unter Verwendung des Metalls, das mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid oder dergleichen bedeckt ist, das im Passivzustand ist, die Abgabe von Gas, das Verunreinigungen enthält, die von der Metalldichtung abgegeben werden, unterdrückt, so dass die interne Leckage verringert werden kann.
Für ein Element der Filmausbildungseinrichtung 4000 wird Aluminium, Chrom, Titan, Zirconium, Nickel oder Vanadium, das eine kleinere Menge von Verunreinigungen enthaltendem Gas abgibt, verwendet. Alternativ kann für das vorstehende Element eine Legierung verwendet werden, die Eisen, Chrom, Nickel und dergleichen enthält und mit dem vorstehenden Material bedeckt ist. Die Legierung, die Eisen, Chrom, Nickel und dergleichen enthält, ist fest, wärmebeständig und verarbeitungsgeeignet. Hierbei kann dann, wenn eine Oberflächenunebenheit des Elementes durch Polieren oder dergleichen verringert wird, um die Flächenausdehnung zu verringern, die Abgabe von Gas verringert werden.
Alternativ kann das vorbeschriebene Element der Filmausbildungseinrichtung 4000 mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid oder dergleichen bedeckt sein.
Das Element der Filmausbildungseinrichtung 4000 ist vorzugsweise soweit wie möglich nur aus Metall gebildet. In dem Fall beispielsweise, in dem ein Sichtfenster, das unter Verwendung von Quarz oder dergleichen gebildet ist, vorgesehen ist, ist die Oberfläche des Sichtfensters vorzugsweise dünn mit Eisenfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid oder dergleichen bedeckt, um die Abgabe von Gas zu unterdrücken.
Wenn ein Adsorbat in der Filmausbildungskammer vorhanden ist, hat das Adsorbat keine Auswirkungen auf den Druck in der Filmausbildungskammer, da es an einer Innenwand oder dergleichen adsorbiert wird. Das Adsorbat bewirkt jedoch, dass Gas abgegeben wird, wenn die Innenseite der Filmausbildungskammer evakuiert wird. Somit ist es, obwohl die Leckrate und die Evakuierungsrate keine Korrelation zueinander haben, wichtig, dass das in der Filmausbildungskammer vorhandene Adsorbat so stark wie möglich desorbiert wird und die Evakuierung im Voraus unter Verwendung einer Pumpe mit hoher Evakuierungsfähigkeit durchgeführt wird. Es sei angemerkt, dass die Filmausbildungskammer gebacken werden kann, um eine Desorption des Adsorbats zu fördern. Durch das Backen kann die Desorptionsrate des Adsorbats ungefähr um das 10-fache erhöht werden. Das Backen kann bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 450°C durchgeführt werden. Dabei kann dann, wenn das Adsorbat entfernt wird, während ein Inertgas in die Filmausbildungskammer eingeführt wird, die Desorptionsrate von Wasser oder dergleichen, das nur mittels der Evakuierung schwierig zu desorbieren ist, weiter erhöht werden. Es sei angemerkt, dass dann, wenn das einzuführende Inertgas im Wesentlichen auf dieselbe Temperatur wie die Backtemperatur der Filmausbildungskammer erwärmt wird, die Desorptionsrate des Adsorbates weiter erhöht werden kann. Hierbei wird vorzugsweise ein Edelgas als Inertgas verwendet. In Abhängigkeit von der Art eines auszubildenden Films kann Sauerstoff oder dergleichen anstelle eines Inertgases verwendet werden. Beispielsweise wird für den Fall des Ausbildens eines Oxids die Verwendung von Sauerstoff, der die Hauptkomponente des Oxids ist, in einigen Fällen vorgezogen.
Alternativ wird eine Behandlung zum Evakuieren der Innenseite der Filmausbildungskammer vorzugsweise für eine bestimmte Zeitspanne durchgeführt, nachdem erwärmter Sauerstoff, ein erwärmtes Inertgas, wie z. B. ein erwärmtes Edelgas, oder dergleichen eingeführt worden ist, um den Druck in der Filmausbildungskammer zu erhöhen. Die Einführung des erwärmten Gases kann das Adsorbat in der Filmausbildungskammer desorbieren, und es können die in der Filmausbildungskammer vorhandenen Verunreinigungen verringert werden. Es sei angemerkt, dass ein vorteilhafter Effekt erreicht werden kann, wenn diese Behandlung mehr als oder gleich 2-Mal und weniger als oder gleich 30-Mal, bevorzugt mehr als oder gleich 5-Mal und weniger als oder gleich 15-Mal wiederholt wird. Insbesondere wird ein Inertgas, Sauerstoff oder dergleichen bei einer Temperatur von höher als oder gleich 40°C und niedriger als oder gleich 400°C, bevorzugt höher als oder gleich 50°C und niedriger als oder gleich 200°C in die Filmausbildungskammer eingeführt, so dass der Druck auf höher als oder gleich 0,1 Pa und niedriger als oder gleich 10 kPa, bevorzugt höher als oder gleich 1 Pa und niedriger als oder gleich 1 kPa, stärker bevorzugt höher als oder gleich 5 Pa und niedriger als oder gleich 100 Pa für 1 Minute bis 300 Minuten, bevorzugt 5 Minuten bis 120 Minuten gehalten werden kann. Anschließend wird die Innenseite der Filmausbildungskammer für 5 Minuten bis 300 Minuten, bevorzugt 10 Minuten bis 120 Minuten, evakuiert.
Die Desorptionsrate des Adsorbates kann weiter auch durch eine Dummy-Filmausbildung erhöht werden. Hierbei bezeichnet die Dummy-Filmausbildung eine Filmausbildung auf einem Dummy-Substrat durch ein Sputterverfahren oder dergleichen, bei der ein Film auf dem Dummy-Substrat und der Innenwand der Filmausbildungskammer abgeschieden wird, damit Verunreinigungen in der Filmausbildungskammer und ein Adsorbat an der Innenwand der Filmausbildungskammer in dem Film eingeschlossen werden. Als Dummy-Substrat wird vorzugsweise ein Substrat verwendet, das eine kleinere Gasmenge abgibt. Durch Durchführen einer Dummy-Filmausbildung kann die Konzentration der Verunreinigungen in einem Film, der später auszubilden ist, verringert werden. Es sei angemerkt, dass die Dummy-Filmausbildung gleichzeitig mit dem Backen der Filmausbildungskammer durchgeführt werden kann.
Dann werden die Details der Transferkammer 4004 und der Load-Lock-Kammer 4003a in 15B und der atmosphärenseitigen Substrattransferkammer 4002 und der atmosphärenseitigen Substratzufuhrkammer 4001 in 15C beschrieben. Es sei angemerkt, dass 15C einen Querschnitt der atmosphärenseitigen Substrattransferkammer 4002 und der atmosphärenseitigen Substratzufuhrkammer 4001 darstellt.
Bezüglich der Transferkammer 4004 in 15B kann auf die Beschreibung der Transferkammer 4004 in 15A Bezug genommen werden.
Die Load-Lock-Kammer 4003a beinhaltet einen Substratlieferungstisch 4111. Wenn ein Druck in der Load-Lock-Kammer 4003a von verringertem Druck auf atmosphärischen Druck erhöht wird, empfängt der Substratlieferungstisch 4111 ein Substrat von dem Transferroboter 4103, der in der atmosphärenseitigen Substrattransferkammer 4002 bereitgestellt ist. Danach wird die Load-Lock-Kammer 4003a auf Vakuum evakuiert, so dass der Druck zu verringertem Druck wird, und dann empfängt der Transferroboter 4103 in der Transferkammer 4004 das Substrat von dem Substratlieferungstisch 4111.
Die Load-Lock-Kammer 4003a ist ferner mit einer Vakuumpumpe 4200 und einer Kryopumpe 4201 durch Ventile verbunden. Bezüglich eines Verfahrens zum Verbinden der Evakuierungssysteme, wie z. B. der Vakuumpumpe 4200 und der Kryopumpe 4201, kann auf die Beschreibung des Verfahrens zum Verbinden der Transferkammer 4004 Bezug genommen werden; ihre Beschreibung wird hier ausgelassen. Es sei angemerkt, dass die Unload-Lock-Kammer 4003b in 14 eine Struktur aufweisen kann, die derjenigen der Load-Lock-Kammer 4003a ähnlich ist.
Die atmosphärenseitige Substrattransferkammer 4002 beinhaltet den Transferroboter 4103. Der Transferroboter 4103 kann ein Substrat von dem Kassettenport 4101 zu der Load-Lock-Kammer 4003a liefern oder ein Substrat von der Load-Lock-Kammer 4003a zu dem Kassettenport 4101 liefern. Des Weiteren kann ein Mechanismus zum Unterdrücken des Eintritts von Staub oder einem Teilchen, wie z. B. ein High Efficiency Particulate Air Filter (HEPA-Filter), oberhalb der atmosphärenseitigen Substrattransferkammer 4002 und der atmosphärenseitigen Substratzufuhrkammer 4001 bereitgestellt werden.
Die atmosphärenseitige Substratzufuhrkammer 4001 beinhaltet eine Vielzahl der Kassettenports 4101. Der Kassettenport 4101 kann eine Vielzahl von Substraten halten.
Wenn eine Oxidschicht unter Verwendung der vorbeschriebenen Filmausbildungseinrichtung ausgebildet wird, kann der Eintritt von Verunreinigungen in die Oxidschicht unterdrückt werden. Des Weiteren kann dann, wenn ein Film in Kontakt mit der Oxidschicht unter Verwendung der vorbeschriebenen Filmausbildungseinrichtung ausgebildet wird, der Eintritt von Verunreinigungen in die Oxidschicht aus dem Film in Kontakt damit unterdrückt werden.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Ausbilden einer CAAC-OS-Schicht unter Verwendung der vorbeschriebenen Filmausbildungseinrichtung beschrieben.
Die Oberflächentemperatur des Sputtertargets wird auf niedriger als oder gleich 100°C, bevorzugt niedriger als oder gleich 50°C, stärker bevorzugt etwa Raumtemperatur (typischerweise 25°C) eingestellt. In einer Sputtereinrichtung für ein großes Substrat wird oftmals ein großes Sputtertarget verwendet. Es ist jedoch schwierig, ein Sputtertarget für ein großes Substrat ohne Verbindungsstelle zu bilden. In der Praxis wird eine Vielzahl von Sputtertargets derart angeordnet, dass es möglichst wenig Raum dazwischen gibt, um eine große Form zu erhalten. Jedoch entsteht unvermeidlich ein kleiner Raum. Wenn die Oberflächentemperatur des Sputtertargets erhöht wird, verflüchtigt sich in einigen Fällen Zn oder dergleichen aus diesem kleinen Raum, und der Raum könnte allmählich größer werden bzw. expandieren. Wenn der Raum expandiert, könnte ein Metall einer Grundplatte (backing plate) oder ein Metall, das zur Adhäsion verwendet wird, gesputtert werden und eine Erhöhung der Verunreinigungskonzentration bewirken. Daher ist vorzuziehen, dass das Sputtertarget ausreichend abgekühlt wird.
Insbesondere wird für die Grundplatte ein Metall verwendet, das eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeableitungseigenschaft aufweist (insbesondere Cu). Das Sputtertarget kann effizient dadurch abgekühlt werden, dass eine ausreichende Menge von Kühlwasser durch einen Wasserkanal fließt, der in der Grundplatte ausgebildet ist.
Die Oxidschicht wird in einer Sauerstoffgasatmosphäre bei einer Substrat-Erwärmungstemperatur von höher als oder gleich 100°C und niedriger als oder gleich 600°C, bevorzugt höher als oder gleich 150°C und niedriger als oder gleich 550°C, stärker bevorzugt höher als oder gleich 200°C und niedriger als oder gleich 500°C ausgebildet. Die Dicke der Oxidschicht ist größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 40 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 20 nm. Wenn die Substrat-Erwärmungstemperatur zum Zeitpunkt der Filmausbildung höher ist, ist die Konzentration der Verunreinigungen in der hergestellten Oxidschicht niedriger. Des Weiteren tritt wahrscheinlich eine Migration von gesputterten Teilchen an einer Abscheidungsoberfläche auf. Daher ist die Atomanordnung in der Oxidschicht geordnet, und die Dichte davon wird erhöht, so dass eine CAAC-OS-Schicht mit einem hohen Grad der Kristallinität leicht gebildet wird. Wenn darüber hinaus die Filmausbildung in einer Sauerstoffgasatmosphäre durchgeführt wird, wird ein Plasmaschaden gemildert, und es ist ein überschüssiges Atom, wie z. B. ein Edelgasatom, nicht in der Oxidschicht enthalten, wodurch eine CAAC-OS-Schicht mit einem hohen Grad der Kristallinität leicht gebildet wird. Es sei angemerkt, dass die Filmausbildung in einer gemischten Atmosphäre, die ein Sauerstoffgas und ein Edelgas enthält, durchgeführt werden kann. In diesem Fall wird der Prozentsatz eines Sauerstoffgases auf höher als oder gleich 30 Vol.-%, bevorzugt höher als oder gleich 50 Vol.-%, stärker bevorzugt höher als oder gleich 80 Vol.-%, eingestellt.
Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem das Sputtertarget Zn enthält, ein Plasmaschaden durch die Filmausbildung in einer Sauerstoffgasatmosphäre gemildert wird. Deshalb kann eine Oxidschicht erhalten werden, aus der sich Zn unwahrscheinlich verflüchtigt.
Die Oxidschicht wird unter Bedingungen ausgebildet, bei denen der Druck bei der Filmausbildung auf niedriger als oder gleich 0,8 Pa, bevorzugt niedriger als oder gleich 0,4 Pa eingestellt wird und der Abstand zwischen dem Sputtertarget und einem Substrat auf kleiner als oder gleich 100 mm, bevorzugt kleiner als oder gleich 40 mm, stärker bevorzugt kleiner oder gleich 25 mm eingestellt wird. Wenn die Oxidschicht unter einer derartigen Bedingung ausgebildet wird, kann die Häufigkeit bzw. Frequenz des Zusammenpralls zwischen einem gesputterten Teilchen und einem weiteren gesputterten Teilchen, einem Gasmolekül oder einem Ion verringert werden. Das heißt, dass in Abhängigkeit vom Druck bei der Filmausbildung der Abstand zwischen dem Sputtertarget und dem Substrat kürzer als der mittlere freie Weg eines gesputterten Teilchens, eines Gasmoleküls oder eines Ions gemacht wird, so dass die Konzentration der Verunreinigungen, die in den Film eintreten, verringert werden kann.
Wenn beispielsweise der Druck 0,4 Pa beträgt und die Temperatur 25°C ist (die absolute Temperatur 298 K ist), weist ein Wasserstoffmolekül (H₂) einen mittleren freien Weg von 48,7 mm auf, ein Heliumatom (He) weist einen mittleren freien Weg von 57,9 mm auf, ein Wassermolekül (H₂O) weist einen mittleren freien Weg von 31,3 mm auf, ein Methanmolekül (CH₄) weist einen mittleren freien Weg von 13,2 mm auf, ein Neonatom (Ne) weist einen mittleren freien Weg von 42,3 mm auf, ein Stickstoffmolekül (N₂) weist einen mittleren freien Weg von 23,2 mm auf, ein Kohlenmonoxidmolekül (CO) weist einen mittleren freien Weg von 16,0 mm auf, ein Sauerstoffmolekül (O₂) weist einen mittleren freien Weg von 26,4 mm auf, ein Argonatom (Ar) weist einen mittleren freien Weg von 28,3 mm auf, ein Kohlendioxidmolekül (CO₂) weist einen mittleren freien Weg von 10,9 mm auf, ein Kryptonatom (Kr) weist einen mittleren freien Weg von 13,4 mm auf, und ein Xenonatom (Xe) weist einen mittleren freien Weg von 9,6 mm auf. Es sei angemerkt, dass das Verdoppeln des Drucks einen mittleren freien Weg halbiert und das Verdoppeln der absoluten Temperatur einen mittleren freien Weg verdoppelt.
Der mittlere freie Weg hängt von dem Druck, der Temperatur und dem Durchmesser eines Moleküls (Atoms) ab. In dem Fall, in dem der Druck und die Temperatur konstant sind, wenn der Durchmesser eines Moleküls (Atoms) größer ist, ist der mittlere freie Weg kürzer. Es sei angemerkt, dass die Durchmesser der Moleküle (Atome) wie folgt sind: H₂: 0,218 nm; He: 0,200 nm; H₂O: 0,272 nm; CH₄: 0,419 nm; Ne: 0,234 nm; N₂: 0,316 nm; CO: 0,380 nm; O₂: 0,296 nm; Ar: 0,286 nm; CO₂: 0,460 nm; Kr: 0,415 nm; und Xe: 0,491 nm.
Wenn der Durchmesser eines Moleküls (Atoms) größer ist, ist daher der mittlere freie Weg kürzer, und der Grad der Kristallinität wird aufgrund des großen Durchmessers des Moleküls (Atoms) verringert, wenn das Molekül (Atom) in den Film eintritt. Aus diesem Grund kann man davon ausgehen, dass sich beispielsweise ein Molekül (Atom), dessen Durchmesser größer ist als derjenige von Ar, wahrscheinlich wie eine Verunreinigung verhält.
Als Nächstes wird eine Wärmebehandlung durchgeführt. Die Wärmebehandlung wird unter verringertem Druck oder in einer Inertatmosphäre oder einer Oxidationsatmosphäre durchgeführt. Durch die Wärmebehandlung kann die Konzentration der Verunreinigungen in der CAAC-OS-Schicht verringert werden.
Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise auf eine Art durchgeführt, dass, nachdem eine Wärmebehandlung unter verringertem Druck oder in einer Inertatmosphäre durchgeführt worden ist, die Atmosphäre in eine Oxidationsatmosphäre übergeht, wobei die Temperatur aufrechterhalten wird, und eine Wärmebehandlung weiter durchgeführt wird. Wenn die Wärmebehandlung unter verringertem Druck oder in einer Inertatmosphäre durchgeführt wird, kann die Konzentration der Verunreinigungen in der CAAC-OS-Schicht verringert werden. Es werden jedoch gleichzeitig Sauerstofffehlstellen erzeugt. Durch die Wärmebehandlung in einer Oxidationsatmosphäre können die erzeugten Sauerstofffehlstellen verringert werden.
Wenn eine Wärmebehandlung an der CAAC-OS-Schicht zusätzlich zur Substraterwärmung zum Zeitpunkt der Filmausbildung durchgeführt wird, kann die Konzentration der Verunreinigungen in dem Film verringert werden.
Insbesondere kann die Konzentration von Wasserstoff in der CAAC-OS-Schicht, die durch Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) gemessen wird, auf niedriger als oder gleich 2 × 10²⁰ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt werden.
Die Konzentration von Stickstoff in der CAAC-OS-Schicht, die durch SIMS gemessen wird, kann auf niedriger als 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt werden.
Die Konzentration von Kohlenstoff in der CAAC-OS-Schicht, die durch SIMS gemessen wird, kann auf niedriger als 5 × 10¹⁹ Atome/cm³, bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, noch stärker bevorzugt niedriger als oder gleich 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ eingestellt werden.
Die Menge jedes der folgenden Gasmoleküle (Atome), die aus der CAAC-OS-Schicht abgegeben werden, kann kleiner als oder gleich 1 × 10¹⁹/cm³, bevorzugt kleiner als oder gleich 1 × 10¹⁸/cm³ sein, was durch eine TDS-Analyse (thermal desorption spectroscopy, thermische Desorptionspektroskopie) gemessen wird: ein Gasmolekül (Atom), das ein Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 2 aufweist (z. B. ein Wasserstoffmolekül), ein Gasmolekül (Atom), das ein Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 18 aufweist, ein Gasmolekül (Atom), das ein Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 28 aufweist, und ein Gasmolekül (Atom), das ein Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) von 44 aufweist.
Bezüglich eines Messverfahrens der Abgabemenge unter Verwendung einer TDS-Analyse wird auf ein Messverfahren der Menge der abgegebenen Sauerstoffatome, das später beschrieben wird, Bezug genommen.
Auf die vorstehende Weise kann eine CAAC-OS-Schicht mit einem hohen Grad der Kristallinität ausgebildet werden.
<2. Transistor>
Ein Transistor, der den mehrschichtigen Film 106 beinhaltet, wird nachstehend beschrieben.
<2-1. Transistorstruktur (1)>
In diesem Abschnitt wird ein Bottom-Gate-Transistor beschrieben.
<2-1-1. Transistorstruktur (1-1)>
Hierbei wird ein BGTC-Transistor (bottom-gate top-contact transistor), der eine Art von Bottom-Gate-Transistor ist, anhand von 16A bis 16D beschrieben.
16A bis 16D sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten des BGTC-Transistors. 16A ist die Draufsicht auf den Transistor. 16B ist die Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A1-A2 in 16A. 16C ist die Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie A3-A4 in 16A.
Der Transistor in 16B beinhaltet eine Gate-Elektrode 104 über einem Substrat 100; einen Gate-Isolierfilm 112 über der Gate-Elektrode 104; den mehrschichtigen Film 106, der die Oxidschicht 106a über dem Gate-Isolierfilm 112, die Oxidhalbleiterschicht 106b über der Oxidschicht 106a und die Oxidschicht 106c über der Oxidhalbleiterschicht 106b umfasst; eine Source-Elektrode 116a und eine Drain-Elektrode 116b über dem Gate-Isolierfilm 112 und dem mehrschichtigen Film 106; und einen isolierenden Schutzfilm 118 über dem mehrschichtigen Film 106, der Source-Elektrode 116a und der Drain-Elektrode 116b.
Die Source-Elektrode 116a und die Drain-Elektrode 116b stehen in Kontakt mit Seitenkanten der Oxidhalbleiterschicht 106b.
Ferner wird Sauerstoff von einem Teil der Oxidschicht 106c abhängig von der Art des leitenden Films, der für die Source-Elektrode 116a und die Drain-Elektrode 116b verwendet wird, entnommen, so dass wie in 16B gezeigt, ein Source-Bereich 106d und ein Drain-Bereich 106e in der Oxidschicht 106c ausgebildet werden.
In 16A wird der Abstand zwischen der Source-Elektrode 116a und der Drain-Elektrode 116b in einem Bereich des mehrschichtigen Films 106, der sich mit der Gate-Elektrode 104 überlappt, als Kanallänge bezeichnet. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem der Transistor den Source-Bereich 106d und den Drain-Bereich 106e beinhaltet, der Abstand zwischen dem Source-Bereich 106d und dem Drain-Bereich 106e in dem Bereich, der sich mit der Gate-Elektrode 104 überlappt, als Kanallänge bezeichnet werden kann.
Es sei angemerkt, dass ein Kanalbildungsbereich einen Bereich des mehrschichtigen Films 106 bezeichnet, der sich, von oben gesehen, mit der Gate-Elektrode 104 überlappt und zwischen der Source-Elektrode 116a und der Drain-Elektrode 116b liegt (siehe 16B). Ferner bezieht sich ein Kanalbereich auf einen Bereich des Kanalbildungsbereichs, durch den ein Strom hauptsächlich fließt. Hierbei bedeutet der Kanalbereich einen Bereich in dem Kanalbildungsbereich der Oxidhalbleiterschicht 106b.
Der mehrschichtige Film 106 sowie die Oxidschicht 106a, die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c, die in dem mehrschichtigen Film 106 enthalten sind, werden nachstehend beschrieben. Es sei angemerkt, dass bezüglich des mehrschichtigen Films 106 auch auf die Beschreibung in einem anderen Abschnitt Bezug genommen werden kann.
Die Oxidschicht 106a enthält ein oder mehrere Element/e außer Sauerstoff, das/die in der Oxidhalbleiterschicht 106b enthalten ist/sind. Zudem liegt die Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidschicht 106a um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher an einem Vakuumniveau als diejenige der Oxidhalbleiterschicht 106b. Es sei angemerkt, dass die Oxidhalbleiterschicht 106b vorzugsweise mindestens Indium enthält, weil die Ladungsträgerbeweglichkeit erhöht werden kann. Wenn dabei ein elektrisches Feld an die Gate-Elektrode 104 angelegt wird, wird ein Kanal in der Oxidhalbleiterschicht 106b des mehrschichtigen Films 106 gebildet, deren Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes niedrig ist. Mit anderen Worten: die Oxidschicht 106a ist zwischen der Oxidhalbleiterschicht 106b und dem Gate-Isolierfilm 112 ausgebildet, wodurch ein Kanal des Transistors in der Oxidhalbleiterschicht 106b, die nicht in Kontakt mit dem Gate-Isolierfilm 112 steht, gebildet werden kann. Da die Oxidschicht 106a ein oder mehrere Elemente außer Sauerstoff enthält, das/die in der Oxidhalbleiterschicht 106b enthalten ist/sind,, ist es ferner unwahrscheinlich, dass eine Grenzflächenstreuung an der Grenzfläche zwischen der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106a auftritt. Somit kann der Transistor eine hohe Feldeffektbeweglichkeit aufweisen, da die Bewegung der Ladungsträger an der Grenzfläche nicht behindert wird.
Die Oxidschicht 106a kann beispielsweise Aluminium, Silizium, Titan, Gallium, Germanium, Yttrium, Zirconium, Zinn, Lanthan, Cer oder Hafnium in einem höheren Atomanteil enthalten als die Oxidhalbleiterschicht 106b. Im Besonderen ist die Menge eines der vorstehenden Elemente in der Oxidschicht 106a in einem Atomanteil 1,5-mal oder mehr, bevorzugt 2-mal oder mehr, stärker bevorzugt 3-mal oder mehr so groß wie diejenige in der Oxidhalbleiterschicht 106b in einem Atomanteil. Eines beliebige der vorstehenden Elemente wird an Sauerstoff fest gebunden und hat somit eine Funktion zum Unterdrücken der Erzeugung einer Sauerstofffehlstelle in der Oxidschicht 106a. Das heißt: eine Sauerstofffehlstelle wird weniger wahrscheinlich in der Oxidschicht 106a erzeugt als in der Oxidhalbleiterschicht 106b.
Wenn alternativ jede der Oxidschicht 106a und der Oxidhalbleiterschicht 106b ein In-M-Zn-Oxid ist und die Oxidschicht 106a und die Oxidhalbleiterschicht 106b In, M und Zn in einem Atomverhältnis von x₁:y₁:z₁ bzw. einem Atomverhältnis von x₂:y₂:z₂ enthalten, muss y₁/x₁, größer sein als y₂/x₂. Es sei angemerkt, dass das Element M ein Metallelement ist, dessen Bindungsstärke an Sauerstoff größer ist als diejenige von In, und Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd und Hf können als Beispiele angegeben werden. Vorzugsweise werden die Oxidschicht 106a und die Oxidhalbleiterschicht 106b derart ausgewählt, dass y₁/x₁ 1,5-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Stärker vorzugsweise werden die Oxidschicht 106a und die Oxidhalbleiterschicht 106b derart ausgewählt, dass y₁/x₁ 2-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Noch stärker vorzugsweise werden die Oxidschicht 106a und die Oxidhalbleiterschicht 106b derart ausgewählt, dass y₁/x₁ 3-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Dabei ist y₁ bevorzugt größer als oder gleich x₁ in der Oxidhalbleiterschicht 106b, weil der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann. Jedoch wird dann, wenn y₁ 3-mal oder mehr so groß wie x₁ ist, die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors verringert; folglich ist y₁ bevorzugt gleich x₁ oder kleiner als das Dreifache von x₁.
Die Dicke der Oxidschicht 106a ist größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm. Die Dicke der Oxidhalbleiterschicht 106b ist größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 200 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, stärker bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm.
Die Oxidschicht 106c enthält ein oder mehrere Element/e außer Sauerstoff, das/die in der Oxidhalbleiterschicht 106b enthalten ist/sind. Zudem liegt die Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidschicht 106c um 0,05 eV oder mehr, 0,07 eV oder mehr, 0,1 eV oder mehr oder 0,15 eV oder mehr und 2 eV oder weniger, 1 eV oder weniger, 0,5 eV oder weniger oder 0,4 eV oder weniger näher an einem Vakuumniveau als diejenige der Oxidhalbleiterschicht. Da die Oxidschicht 106c ein oder mehrere Elemente außer Sauerstoff, das/die in der Oxidhalbleiterschicht 106b enthalten ist/sind, enthält, ist es ferner unwahrscheinlich, dass ein Grenzflächenniveau an der Grenzfläche zwischen der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106c gebildet wird. Wenn die Grenzfläche ein Grenzflächenniveau aufweist, wird in einigen Fällen ein zweiter Transistor ausgebildet, in dem die Grenzfläche als Kanal dient und der eine andere Schwellenspannung hat; folglich wird die scheinbare Schwellenspannung des Transistors geändert. Mit der Oxidschicht 106c können daher Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der Transistoren, wie z. B. einer Schwellenspannung, verringert werden.
Die Oxidschicht 106c kann beispielsweise Aluminium, Silizium, Titan, Gallium, Germanium, Yttrium, Zirconium, Zinn, Lanthan, Cer oder Hafnium in einem höheren Atomanteil enthalten als die Oxidhalbleiterschicht 106b. Im Besonderen ist die Menge eines der vorstehenden Elemente in der Oxidschicht 106c in einem Atomanteil 1,5-mal oder mehr, bevorzugt 2-mal oder mehr, stärker bevorzugt 3-mal oder mehr so groß wie diejenige in der Oxidhalbleiterschicht 106b in einem Atomanteil. Ein beliebiges der vorstehenden Elemente wird an Sauerstoff fest gebunden und hat somit eine Funktion zum Unterdrücken der Erzeugung einer Sauerstofffehlstelle in der Oxidschicht 106c. Das heißt: eine Sauerstofffehlstelle wird weniger wahrscheinlich in der Oxidschicht 106c erzeugt als in der Oxidhalbleiterschicht 106b.
Wenn alternativ jede der Oxidhalbleiterschicht 106b und der Oxidschicht 106c ein In-M-Zn-Oxid ist und die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106a In, M und Zn in einem Atomverhältnis von x₂:y₂:z₂ bzw. einem Atomverhältnis von x₃:y₃:z₃ enthalten, muss y₃/x₃ größer sein als y₂/x₂. Es sei angemerkt, dass das Element M ein Metallelement ist, dessen Bindungsstärke an Sauerstoff größer ist als diejenige von In, und Al, Ti, Ga, Y, Zr, Sn, La, Ce, Nd und Hf können als Beispiele angegeben werden. Vorzugsweise werden die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c derart ausgewählt, dass y₃/x₃ 1,5-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Stärker vorzugsweise werden die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c derart ausgewählt, dass y₃/x₃ 2-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Noch stärker vorzugsweise werden die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c derart ausgewählt, dass y₃/x₃ 3-mal oder mehr so groß wie y₂/x₂ ist. Dabei ist y₂ bevorzugt größer als oder gleich x₂ in der Oxidhalbleiterschicht 106b, weil der Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen kann. Jedoch wird dann, wenn y₂ 3-mal oder mehr so groß wie x₂ ist, die Feldeffektbeweglichkeit des Transistors verringert; folglich ist y₂ bevorzugt gleich x₂ oder kleiner als das Dreifache von x₂.
Die Dicke der Oxidschicht 106c ist größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 100 nm, bevorzugt größer als oder gleich 3 nm und kleiner als oder gleich 50 nm.
Es sei angemerkt, dass die Oxidschicht 106a, die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c jeweils eine kristalline Struktur oder eine Struktur aufweisen, bei der kein deutlicher Kristallbereich in einem TEM-Bild beobachtet werden kann. Vorzugsweise hat die Oxidschicht 106a eine Struktur, bei der kein deutlicher Kristallbereich in einem TEM-Bild beobachtet werden kann, hat die Oxidhalbleiterschicht 106b eine kristalline Struktur, und hat die Oxidschicht 106c eine kristalline Struktur oder eine Struktur, bei der kein deutlicher Kristallbereich in einem TEM-Bild beobachtet werden kann. Da die Oxidhalbleiterschicht 106b, in der ein Kanal gebildet wird, eine kristalline Struktur aufweist, kann ein Transistor stabile elektrische Eigenschaften aufweisen.
Weitere Strukturen des Transistors werden nachstehend beschrieben.
Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich des Substrats 100. Beispielsweise kann ein Glassubstrat, ein Keramiksubstrat, ein Quarzsubstrat oder ein Saphirsubstrat als das Substrat 100 verwendet werden. Alternativ kann ein einkristallines Halbleitersubstrat oder ein polykristallines Halbleitersubstrat aus Silizium, Siliziumcarbid oder dergleichen, ein Verbund-Halbleitersubstrat aus Siliziumgermanium oder dergleichen, ein SOI-Substrat (silicon an insulator substrate) oder dergleichen als das Substrat 100 verwendet werden. Als eine weitere Alternative kann eines dieser Substrate, das mit einem Halbleiterelement versehen ist, als das Substrat 100 verwendet werden.
In dem Fall, in dem ein großes Glassubstrat, wie z. B. die 5. Generation (1000 mm × 1200 mm oder 1300 mm × 1500 mm), die 6. Generation (1500 mm × 1800 mm), die 7. Generation (1870 mm × 2200 mm), die 8. Generation (2200 mm × 2500 mm), die 9. Generation (2400 mm × 2800 mm) oder die 10. Generation (2880 mm × 3130 mm) als das Substrat 100 verwendet wird, ist infolge einer Schrumpfung des Substrats 100, die durch eine Wärmebehandlung oder dergleichen in dem Herstellungsprozess einer Halbleitervorrichtung verursacht wird, die Feinbearbeitung in einigen Fällen schwierig. Deswegen wird in dem Fall, in dem das oben angegebene große Glassubstrat als das Substrat 100 verwendet wird, vorzugsweise ein Substrat verwendet, bei dem Schrumpfen durch die Wärmebehandlung unwahrscheinlich ist. Beispielsweise kann ein großes Glassubstrat, dessen Grad der Schrumpfung durch eine Wärmebehandlung für eine Stunde bei 400°C, bevorzugt 450°C, stärker bevorzugt 500°C weniger als oder gleich 10 ppm, bevorzugt weniger als oder gleich 5 ppm, stärker bevorzugt weniger als oder gleich 3 ppm ist, als das Substrat 100 verwendet werden.
Als weitere Alternative kann ein flexibles Substrat als das Substrat 100 verwendet werden. Als Verfahren zum Bereitstellen eines Transistors über einem flexiblen Substrat ist auch ein Verfahren vorhanden, bei dem ein Transistor über einem nichtflexiblen Substrat gebildet wird, dann der Transistor von dem nichtflexiblen Substrat abgetrennt wird und auf das Substrat 100, das ein flexibles Substrat ist, transferiert wird. In diesem Fall wird eine Trennschicht vorzugsweise zwischen dem nichtflexiblen Substrat und dem Transistor bereitgestellt.
Die Gate-Elektrode 104 kann unter Verwendung einer einzigen Schicht oder einer gestapelten Schicht aus einem leitenden Film ausgebildet werden, der eine oder mehrere Arten von Aluminium, Titan, Chrom, Kobalt, Nickel, Kupfer, Yttrium, Zirconium, Molybdän, Ruthenium, Silber, Tantal und Wolfram enthält.
Es sei angemerkt, dass die Gate-Elektrode 104 derart bereitgestellt ist, dass wie in 16A gezeigt die Kante des mehrschichtigen Films 106 weiter innen liegt als die Kante der Gate-Elektrode 104. Da die Gate-Elektrode 104 in einer derartigen Position bereitgestellt ist, kann eine Erzeugung von Ladungsträgern in dem mehrschichtigen Film 106 aufgrund von Licht unterdrückt werden, wenn Lichtbestrahlung von der Seite des Substrats 100 durchgeführt wird. Es sei angemerkt, dass die Kante des mehrschichtigen Films 106 weiter außen liegen kann als die Kante der Gate-Elektrode 104.
Der Gate-Isolierfilm 112 kann unter Verwendung einer einzigen Schicht oder einer gestapelten Schicht aus einem Isolierfilm ausgebildet werden, der eine oder mehrere Arten von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid und Tantaloxid enthält.
Der Gate-Isolierfilm 112 kann beispielsweise ein mehrschichtiger Film sein, der eine Siliziumnitridschicht als eine erste Schicht und eine Siliziumoxidschicht als eine zweite Schicht umfasst. In diesem Fall kann die Siliziumoxidschicht auch eine Siliziumoxynitridschicht sein. Zudem kann die Siliziumnitridschicht auch eine Siliziumnitridoxidschicht sein. Als Siliziumoxidschicht wird vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Defektdichte niedrig ist. Insbesondere wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Spindichte, die aus einem Signal mit einem g-Faktor von 2,001 in Elektronenspinresonanz (ESR) stammt, weniger als oder gleich 3 × 10¹⁷ Spins/cm³, bevorzugt weniger als oder gleich 5 × 10¹⁶ Spins/cm³ ist. Als die Siliziumoxidschicht wird eine Siliziumoxidschicht, die überschüssigen Sauerstoff enthält, vorzugsweise verwendet. Als die Siliziumnitridschicht wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, von der Wasserstoff und Ammoniak weniger wahrscheinlich abgegeben werden. Die Menge an abgegebenem Wasserstoff oder Ammoniak kann durch thermische Desorptionspektroskopie (TDS) gemessen werden.
Die Source-Elektrode 116a und die Drain-Elektrode 116b können unter Verwendung einer einzigen Schicht oder einer Schichtanordnung aus einem leitenden Film ausgebildet werden, der eine oder mehrere Arten von Aluminium, Titan, Chrom, Kobalt, Nickel, Kupfer, Yttrium, Zirconium, Molybdän, Ruthenium, Silber, Tantal und Wolfram enthält. Es sei angemerkt, dass die Source-Elektrode 116a und die Drain-Elektrode 116b die gleiche Zusammensetzung oder unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen können.
Der isolierende Schutzfilm 118 kann unter Verwendung einer einzigen Schicht oder einer Schichtanordnung aus einem Isolierfilm ausgebildet werden, der eine oder mehrere Art/en von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitirid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid und Tantaloxid enthält.
Der isolierende Schutzfilm 118 kann beispielsweise ein mehrschichtiger Film sein, der eine Siliziumoxidschicht als eine erste Schicht und eine Siliziumnitridschicht als eine zweite Schicht beinhaltet. In diesem Fall kann die Siliziumoxidschicht auch eine Siliziumoxynitridschicht sein. Zudem kann die Siliziumnitridschicht auch eine Siliziumnitridoxidschicht sein. Als die Siliziumoxidschicht wird vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Defektdichte niedrig ist. Insbesondere wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Spindichte, die aus einem Signal mit einem g-Faktor von 2,001 in ESR stammt, weniger als oder gleich 3 × 10¹⁷ Spins/cm³, bevorzugt weniger als oder gleich 5 × 10¹⁶ Spins/cm³ ist. Als die Siliziumnitridschicht wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, von der Wasserstoff und Ammoniak weniger wahrscheinlich abgegeben werden. Die Menge an abgegebenem Wasserstoff oder Ammoniak kann durch TDS gemessen werden. Des Weiteren wird als die Siliziumnitridschicht eine Siliziumnitridschicht verwendet, die Sauerstoff nicht durchlässt oder kaum durchlässt.
Alternativ kann der isolierende Schutzfilm 118 beispielsweise ein mehrschichtiger Film sein, der eine erste Siliziumoxidschicht 118a als eine erste Schicht, eine zweite Siliziumoxidschicht 118b als eine zweite Schicht und eine Siliziumnitridschicht 118c als eine dritte Schicht umfasst (siehe 16D). In diesem Fall kann die erste Siliziumoxidschicht 118a und/oder die zweite Siliziumoxidschicht 118b eine Siliziumoxynitridschicht sein. Zudem kann die Siliziumnitridschicht eine Siliziumnitridoxidschicht sein. Als die erste Siliziumoxidschicht 118a wird vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Defektdichte niedrig ist. Insbesondere wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Spindichte, die aus einem Signal mit einem g-Faktor von 2,001 in ESR stammt, weniger als oder gleich 3 × 10¹⁷ Spins/cm³, bevorzugt weniger als oder gleich 5 × 10¹⁶ Spins/cm³ ist. Als die zweite Siliziumoxidschicht 118b wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, die überschüssigen Sauerstoff enthält. Als die Siliziumnitridschicht 118c wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, von der Wasserstoff und Ammoniak weniger wahrscheinlich abgegeben werden,. Des Weiteren wird als die Siliziumnitridschicht eine Siliziumnitridschicht verwendet, die Sauerstoff nicht durchlässt oder kaum durchlässt.
Die Siliziumoxidschicht mit überschüssigem Sauerstoff bezeichnet eine Siliziumoxidschicht, von der Sauerstoff durch Wärmebehandlung oder dergleichen abgegeben werden kann. Ein Isolierfilm mit überschüssigem Sauerstoff bezeichnet einen Isolierfilm, von dem Sauerstoff durch Wärmebehandlung abgegeben wird.
Hier kann ein Film, von dem Sauerstoff durch Wärmebehandlung abgegeben wird, Sauerstoff abgeben, dessen Menge bei TDS-Analyse größer als oder gleich 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, größer als oder gleich 1 × 10¹⁹ Atome/cm³ oder größer als oder gleich 1 × 10²⁰ Atome/cm³ ist (in die Anzahl von Sauerstoffatomen umgewandelt).
Nun wird ein Verfahren zum Messen der Menge an abgegebenem Sauerstoff mittels der TDS-Analyse nachstehend beschrieben.
Die Gesamtmenge an abgegebenem Gas aus einer Messprobe bei der TDS-Analyse ist proportional zum integralen Wert der Ionenintensität des abgegebenen Gases. Dann wird ein Vergleich mit einer Referenzprobe angestellt, wodurch die Gesamtmenge an abgegebenem Gas berechnet werden kann.
Zum Beispiel kann die Anzahl von abgegebenen Sauerstoffmolekülen (N_O2) aus einer Messprobe entsprechend der Formel 1 unter Benutzung der TDS-Ergebnisse eines Siliziumwafers, der Wasserstoff mit einer vorbestimmten Dichte enthält, welcher eine Referenzprobe ist, und der TDS-Ergebnisse der Messprobe berechnet werden. Hierbei ist davon auszugehen, dass alle Gase mit einer Massenzahl von 32, die man bei der TDS-Analyse erhält, von einem Sauerstoffmolekül stammen. Es sei angemerkt, dass CH₃OH, welches ein Gas mit einer Massenzahl von 32 ist, nicht berücksichtigt wird, da sein Vorhandensein unwahrscheinlich ist. Zusätzlich wird auch ein Sauerstoffmolekül, das ein Sauerstoffatom mit einer Massenzahl von 17 oder 18 enthält, das ein Isotop eines Sauerstoffatoms ist, nicht berücksichtigt, da der Anteil von einem solchen Molekül in der Natur minimal ist.
[Formel 1]
Hier ist N_H2 der Wert, der durch die Umwandlung der Anzahl von Wasserstoffmolekülen, die aus der Referenzprobe desorbiert werden, in Dichten erhalten wird. Des Weiteren ist S_H2 der integrale Wert der Ionenintensität bei der TDS-Analyse der Referenzprobe. Hier ist der Referenzwert der Referenzprobe durch N_H2/S_H2 dargestellt. Ferner ist S_O2 der integrale Wert der Ionenintensität bei der TDS-Analyse der Messprobe, und α ist ein Koeffizient, der die Ionenintensität bei der TDS-Analyse beeinflusst. Bezüglich der Details der Formel 1 nehme man Bezug auf die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H6-275697 . Die Menge an abgegebenem Sauerstoff wurde mittels eines thermischen Desorptionsspektroskopie-Geräts EMD-WA1000S/W, das von ESCO Ltd. hergestellt wird, unter Verwendung eines Siliziumwafers, der Wasserstoffatome mit einer Konzentration von 1 × 10¹⁶ Atome/cm² enthält, als die Referenzprobe gemessen.
Ferner wird bei der TDS-Analyse ein Teil des Sauerstoffs als Sauerstoffatom detektiert. Das Verhältnis zwischen Sauerstoffmolekülen und Sauerstoffatomen kann anhand der Ionisierungsrate der Sauerstoffmoleküle berechnet werden. Da der oben aufgeführte Koeffizient α die Ionisierungsrate der Sauerstoffmoleküle einschließt, kann die Anzahl der abgegebenen Sauerstoffatome auch durch die Bewertung der Anzahl der abgegebenen Sauerstoffmoleküle geschätzt werden.
Hier ist N_O2 die Anzahl der abgegebenen Sauerstoffmoleküle. Die Menge an abgegebenem Sauerstoff, der in Sauerstoffatome umgewandelt wird, ist das Doppelte der Anzahl der abgegebenen Sauerstoffmoleküle.
Des Weiteren kann der Film, von dem Sauerstoff durch eine Wärmebehandlung abgegeben wird, ein Peroxidradikal enthalten. Konkret gesagt, ist die Spindichte infolge des Peroxidradikals höher als oder gleich 5 × 10¹⁷ Spins/cm³. Es sei angemerkt, dass der Film, der ein Peroxidradikal enthält, bei ESR ein asymmetrisches Signal mit einem g-Faktor von ungefähr 2,01 aufweisen kann.
Der überschüssigen Sauerstoff enthaltende Isolierfilm kann ein Sauerstoffüberschuss aufweisendes Siliziumoxid (SiO_X (X > 2)) sein. Bei dem Sauerstoffüberschuss aufweisenden Siliziumoxid (SiO_X (X > 2)) ist die Anzahl von Sauerstoffatomen pro Einheitsvolumen mehr als das Doppelte der Anzahl von Siliziumatomen pro Einheitsvolumen. Die Anzahl von Siliziumatomen und die Anzahl von Sauerstoffatomen pro Einheitsvolumen werden durch die Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (Rutherford backscattering spectrometry, RBS) gemessen.
In dem Fall, in dem es sich bei dem Gate-Isolierfilm 112 und/oder dem isolierenden Schutzfilm 118 um den Isolierfilm handelt, der überschüssigen Sauerstoff enthält, können Sauerstoffleerstellen in der Oxid halbleiterschicht 106b verringert werden.
Bei dem oben beschriebenen Transistor wird der Kanal in der Oxidhalbleiterschicht 106b des mehrschichtigen Films 106 gebildet; daher hat der Transistor stabile elektrische Eigenschaften und eine hohe Feldeffektbeweglichkeit.
<2-1-2. Herstellungsverfahren der Transistorstruktur (1-1)>
Nun wird ein Verfahren zum Herstellen des Transistors anhand von 17A bis 17C sowie 18A und 18B beschrieben.
Zuerst wird das Substrat 100 vorbereitet.
Als Nächstes wird ein leitender Film, der später zu der Gate-Elektrode 104 wird, ausgebildet. Der leitende Film, der später zu der Gate-Elektrode 104 wird, kann unter Verwendung eines der leitenden Filme, die als Beispiele für die Gate-Elektrode 104 angegeben werden, durch ein Sputterverfahren, ein chemisches CVD-Verfahren (chemical vapor deposition method), ein MBE-Verfahren (molecular beam epitaxy method), ein ALD-Verfahren (atomic layer deposition method) oder ein PLD-Verfahren (pulsed laser deposition method) ausgebildet werden.
Dann wird der leitende Film, der später zu der Gate-Elektrode 104 wird, teilweise geätzt, um die Gate-Elektrode 104 auszubilden (siehe 17A).
Danach wird der Gate-Isolierfilm 112 ausgebildet (siehe 17B). Der Gate-Isolierfilm 112 kann unter Verwendung eines der oben beschriebenen Isolierfilme, die als Beispiele für den Gate-Isolierfilm 112 angegeben werden, durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren, ein MBE-Verfahren, ein ALD-Verfahren oder ein PLD-Verfahren ausgebildet werden.
Anschließend wird eine Oxidschicht ausgebildet, die später zu der Oxidschicht 106a wird,. Die Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 106a wird, kann unter Verwendung einer der oben beschriebenen Oxidschichten, die als Beispiele für die Oxidschicht 106a angegeben werden, durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren, ein MBE-Verfahren, ein ALD-Verfahren oder ein PLD-Verfahren ausgebildet werden.
Als Nächstes wird eine Oxidhalbleiterschicht ausgebildet, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 106b wird,. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden der Oxidhalbleiterschicht 106b wird auf die Beschreibung in dem vorstehenden Abschnitt Bezug genommen.
Dann wird eine Oxidschicht ausgebildet, die später zu der Oxidschicht 106c wird,. Die Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 106c wird, kann unter Verwendung einer der oben beschriebenen Oxidschichten, die als Beispiele für die Oxidschicht 106c angegeben werden, durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren, ein MBE-Verfahren, ein ALD-Verfahren oder ein PLD-Verfahren ausgebildet werden.
Vorzugsweise werden die Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 106a wird, die Oxidhalbleiterschicht, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 106b wird, und die Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 106c wird, nacheinander ausgebildet, ohne der Luft ausgesetzt zu werden, damit Verunreinigungen weniger wahrscheinlich in jede Grenzfläche aufgenommen werden.
Dann werden die Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 106a wird, die Oxidhalbleiterschicht, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 106b wird, und die Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 106c wird, teilweise geätzt, um den mehrschichtigen Film 106 auszubilden, der die Oxidschicht 106a, die Oxidhalbleiterschicht 106b und die Oxidschicht 106c umfasst (siehe 17C).
Als Nächstes wird vorzugsweise eine erste Wärmebehandlung durchgeführt. Die erste Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur von höher als oder gleich 250°C und niedriger als oder gleich 650°C, bevorzugt höher als oder gleich 300°C und niedriger als oder gleich 500°C durchgeführt werden. Die erste Wärmebehandlung wird in einer Inertgasatmosphäre, einer Atmosphäre, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, 1% oder mehr oder 10% oder mehr enthält, oder unter verringertem Druck durchgeführt. Alternativ kann die erste Wärmebehandlung auf eine solche Weise durchgeführt werden, dass eine Wärmebehandlung in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird, und dann eine weitere Wärmebehandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, 1% oder mehr oder 10% oder mehr enthält, um desorbierten Sauerstoff zu kompensieren. Durch die erste Wärmebehandlung kann die Kristallinität der Oxidhalbleiterschicht 106b verbessert werden. Zudem können Verunreinigungen wie z. B. Wasserstoff und Wasser, aus dem Gate-Isolierfilm 112 und/oder dem mehrschichtigen Film 106 entfernt werden.
Dann wird ein leitender Film, der später zu der Source-Elektrode 116a und der Drain-Elektrode 116b wird, ausgebildet. Der leitende Film, der später zu der Source-Elektrode 116a und der Drain-Elektrode 116b wird, kann unter Verwendung eines der oben beschriebenen leitenden Filme, die als Beispiele für die Source-Elektrode 116a und die Drain-Elektrode 116b angegeben werden, durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren, ein MBE-Verfahren, ein ALD-Verfahren oder ein PLD-Verfahren ausgebildet werden.
Als Nächstes wird der leitende Film, der später zu der Source-Elektrode 116a und der Drain-Elektrode 116b wird, teilweise geätzt, um die Source-Elektrode 116a und die Drain-Elektrode 116b auszubilden (siehe 18A).
Als Nächstes wird vorzugsweise eine zweite Wärmebehandlung durchgeführt. Bezüglich der zweiten Wärmebehandlung kann auf die Beschreibung der ersten Wärmebehandlung Bezug genommen werden. Die zweite Wärmebehandlung kann Verunreinigungen, wie z. B. Wasserstoff und Wasser, aus dem mehrschichtigen Film 106 entfernen. Es sei angemerkt, dass Wasser eine Verbindung ist, die Wasserstoff enthält und sich daher wie eine Verunreinigung in der Oxidhalbleiterschicht 106b verhalten könnte.
Danach wird der isolierende Schutzfilm 118 ausgebildet (siehe 18B). Der isolierende Schutzfilm 118 kann unter Verwendung eines der oben beschriebenen Isolierfilme, die als Beispiele für den isolierenden Schutzfilm 118 angegeben werden, durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren, ein MBE-Verfahren, ein ALD-Verfahren oder ein PLD-Verfahren ausgebildet werden.
Hierbei wird der Fall beschrieben, in dem der isolierende Schutzfilm 118 eine dreischichtige Struktur wie in 16D hat. Zuerst wird die erste Siliziumoxidschicht 118a ausgebildet. Als Nächstes wird die zweite Siliziumoxidschicht 118b ausgebildet. Dann wird vorzugsweise eine Behandlung zum Zusetzen von Sauerstoffionen zu der zweiten Siliziumoxidschicht 118b durchgeführt. Die Behandlung zum Zusetzen von Sauerstoffionen kann mittels einer Ionendotierungseinrichtung oder einer Plasmabehandlungseinrichtung durchgeführt werden. Als Ionendotierungseinrichtung kann eine Ionendotierungseinrichtung mit einer Massentrennungsfunktion verwendet werden. Als Quellenmaterial von Sauerstoffionen kann ein Sauerstoffgas, wie z. B. ¹⁶O₂ oder ¹⁸O₂, ein Distickstoffmonoxidgas, ein Ozongas oder dergleichen verwendet werden. Dann wird die Siliziumnitridschicht 118c ausgebildet. Auf diese Weise kann der isolierende Schutzfilm 118 ausgebildet werden.
Als Nächstes wird vorzugsweise eine dritte Wärmebehandlung durchgeführt. Bezüglich der dritten Wärmebehandlung kann auf die Beschreibung der ersten Wärmebehandlung Bezug genommen werden. Durch die dritte Wärmebehandlung wird überschüssiger Sauerstoff von dem Gate-Isolierfilm 112 und/oder dem isolierenden Schutzfilm 118 abgegeben; daher können Sauerstofffehlstellen in dem mehrschichtigen Film 106 verringert werden. Es sei angemerkt, dass in dem mehrschichtigen Film 106 eine Sauerstofffehlstelle ein benachbartes Sauerstoffatom einfängt, so dass sich die Sauerstofffehlstelle zu bewegen scheint. Deshalb kann überschüssiger Sauerstoff durch die Oxidschicht 106a oder die Oxidschicht 106c die Oxidhalbleiterschicht 106b erreichen.
Auf diese Weise kann der BGTC-Transistor hergestellt werden.
Dieser Transistor hat stabile elektrische Eigenschaften, da Sauerstofffehlstellen in der Oxidhalbleiterschicht 106b des mehrschichtigen Films 106 verringert werden.
<2-2. Transistorstruktur (2)>
In diesem Abschnitt wird ein Top-Gate-Transistor beschrieben.
<2-2-1. Transistorstruktur (2-1)>
Hierbei wird ein Top-Gate-Top-Kontakt-(top-gate top-contact: TGTC-)Transistor, der eine Art von Top-Gate-Transistor ist, anhand von 19A bis 19C beschrieben.
19A bis 19C sind eine Draufsicht und Querschnittsansichten des TGTC-Transistors. 19A ist die Draufsicht auf den Transistor. 19B ist die Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie B1-B2 in 19A. 19C ist die Querschnittsansicht entlang der Strichpunktlinie B3-B4 in 19A.
Der Transistor in 198 beinhaltet einen Basis-Isolierfilm 202 über einem Substrat 200; einen mehrschichtigen Film 206, der eine Oxidschicht 206a über dem Basis-Isolierfilm 202, eine Oxidhalbleiterschicht 206b über der Oxidschicht 206a und eine Oxidschicht 206c über der Oxidhalbleiterschicht 206b umfasst; eine Source-Elektrode 216a und eine Drain-Elektrode 216b über dem Basis-Isolierfilm 202 und dem mehrschichtigen Film 206; einen Gate-Isolierfilm 212 über dem mehrschichtigen Film 206, der Source-Elektrode 216a und der Drain-Elektrode 216b; eine Gate-Elektrode 204 über dem Gate-Isolierfilm 212; und einen isolierenden Schutzfilm 218 über dem Gate-Isolierfilm 212 und der Gate-Elektrode 204. Es sei angemerkt, dass der Transistor nicht notwendigerweise den Basis-Isolierfilm 202 und/oder den isolierenden Schutzfilm 218 beinhaltet.
Die Source-Elektrode 216a und die Drain-Elektrode 216b stehen in Kontakt mit Seitenkanten der Oxidhalbleiterschicht 206b.
Ferner wird Sauerstoff von einem Teil der Oxidschicht 206c abhängig von der Art des leitenden Films entnommen, der für die Source-Elektrode 216a und die Drain-Elektrode 216b verwendet wird, so dass ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich in der Oxidschicht 106c ausgebildet werden.
In 19A wird der Abstand zwischen der Source-Elektrode 216a und der Drain-Elektrode 216b in einem Bereich des mehrschichtigen Films 206, der sich mit der Gate-Elektrode 204 überlappt, als Kanallänge bezeichnet. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem der Transistor den Source-Bereich und den Drain-Bereich beinhaltet, der Abstand zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich in dem Bereich, der sich mit der Gate-Elektrode 204 überlappt, als Kanallänge bezeichnet werden kann.
Es sei angemerkt, dass ein Kanalbildungsbereich einen Bereich in dem mehrschichtigen Film 206 bezeichnet, der sich, von oben gesehen, mit der Gate-Elektrode 204 überlappt und zwischen der Source-Elektrode 216a und der Drain-Elektrode 216b liegt. Ferner bezieht sich ein Kanalbereich auf einen Bereich des Kanalbildungsbereichs, durch den ein Strom hauptsächlich fließt. Hierbei bedeutet der Kanalbereich einen Bereich in dem Kanalbildungsbereich der Oxidhalbleiterschicht 206b.
Bezüglich des mehrschichtigen Films 206 wird auf die Beschreibung des mehrschichtigen Films 106 Bezug genommen. Insbesondere wird bezüglich der Oxidschicht 206a auf die Beschreibung der Oxidschicht 106c Bezug genommen; bezüglich der Oxidhalbleiterschicht 206b wird auf die Beschreibung der Oxidhalbleiterschicht 106b Bezug genommen; und bezüglich der Oxidschicht 206c wird auf die Beschreibung der Oxidschicht 106a Bezug genommen.
Bezüglich des Substrats 200 wird auf die Beschreibung des Substrats 100 Bezug genommen. Bezüglich der Source-Elektrode 216a und der Drain-Elektrode 216b wird auf die Beschreibung der Source-Elektrode 116a und der Drain-Elektrode 116b Bezug genommen. Bezüglich des Gate-Isolierfilms 212 wird auf die Beschreibung des Gate-Isolierfilms 112 Bezug genommen. Bezüglich der Gate-Elektrode 204 wird auf die Beschreibung der Gate-Elektrode 104 Bezug genommen. Bezüglich des isolierenden Schutzfilms 218 wird auf die Beschreibung des isolierenden Schutzfilms 118 Bezug genommen.
Obwohl in 19A die Kante des mehrschichtigen Films 206 weiter außen liegt als die Kante der Gate-Elektrode 204, kann die Kante des mehrschichtigen Films 206 weiter innen liegen als die Kante der Gate-Elektrode 204, um eine Erzeugung von Ladungsträgern in dem mehrschichtigen Film 206 wegen Lichts zu unterdrücken.
Der Basis-Isolierfilm 202 kann unter Verwendung einer einzigen Schicht oder einer Schichtanordnung aus einem Isolierfilm, ausgebildet werden, der eine oder mehrere Arten von Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitirid, Siliziumnitridoxid, Siliziumnitrid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Yttriumoxid, Zirconiumoxid, Lanthanoxid, Neodymoxid, Hafniumoxid und Tantaloxid enthält.
Der Basis-Isolierfilm 202 kann beispielsweise ein mehrschichtiger Film sein, der eine Siliziumnitridschicht als erste Schicht und eine Siliziumoxidschicht als zweite Schicht umfasst. In diesem Fall kann die Siliziumoxidschicht auch eine Siliziumoxynitridschicht sein. Zudem kann die Siliziumnitridschicht auch eine Siliziumnitridoxidschicht sein. Als Siliziumoxidschicht wird vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht, deren Defektdichte niedrig ist, verwendet. Insbesondere wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Spindichte, die aus einem Signal mit einem g-Faktor von 2,001 in ESR stammt, weniger als oder gleich 3 × 10¹⁷ Spins/cm³, bevorzugt weniger als oder gleich 5 × 10¹⁶ Spins/cm³ ist. Als die Siliziumnitridschicht wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, von der Wasserstoff und Ammoniak weniger wahrscheinlich abgegeben werden. Die Menge an abgegebenem Wasserstoff oder Ammoniak kann durch TDS gemessen werden. Des Weiteren wird als die Siliziumnitridschicht eine Siliziumnitridschicht verwendet, die Sauerstoff nicht durchlässt oder kaum durchlässt.
Der Basis-Isolierfilm 202 kann beispielsweise ein mehrschichtiger Film sein, der eine Siliziumnitridschicht als erste Schicht, eine erste Siliziumoxidschicht als zweite Schicht und eine zweite Siliziumoxidschicht als dritte Schicht umfasst. In diesem Fall können/kann die erste Siliziumoxidschicht und/oder die zweite Siliziumoxidschicht auch eine Siliziumoxynitridschicht sein. Zudem kann die Siliziumnitridschicht auch eine Siliziumnitridoxidschicht sein. Als erste Siliziumoxidschicht wird vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Defektdichte niedrig ist. Insbesondere wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, deren Spindichte, die aus einem Signal mit einem g-Faktor von 2,001 in ESR stammt, weniger als oder gleich 3 × 10¹⁷ Spins/cm³, bevorzugt weniger als oder gleich 5 × 10¹⁶ Spins/cm³ ist. Als die zweite Siliziumoxidschicht wird eine Siliziumoxidschicht verwendet, die überschüssigen Sauerstoff enthält. Als die Siliziumnitridschicht wird eine Siliziumnitridschicht verwendet, von der Wasserstoff und Ammoniak weniger wahrscheinlich abgegeben werden. Des Weiteren wird als die Siliziumnitridschicht eine Siliziumnitridschicht verwendet, die Sauerstoff nicht durchlässt oder kaum durchlässt.
In dem Fall, in dem es sich bei dem Gate-Isolierfilm 212 und/oder dem Basis-Isolierfilm 202 um den Isolierfilm handelt, der überschüssigen Sauerstoff enthält, können Sauerstoffleerstellen in der Oxidhalbleiterschicht 206b verringert werden.
Bei dem oben beschriebenen Transistor wird der Kanal in der Oxidhalbleiterschicht 206b des mehrschichtigen Films 206 gebildet; daher hat der Transistor stabile elektrische Eigenschaften und eine hohe Feldeffektbeweglichkeit.
<2-2-2. Herstellungsverfahren der Transistorstruktur (2-1)>
Nun wird ein Verfahren zum Herstellen des Transistors anhand von 20A bis 20C sowie 21A und 21B beschrieben.
Zuerst wird das Substrat 200 vorbereitet.
Als Nächstes wird eine Oxidschicht ausgebildet, die später zu der Oxidschicht 206a wird. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden der Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 206a wird, wird auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden der Oxidschicht Bezug genommen, die später zu der Oxidschicht 106c wird.
Als Nächstes wird eine Oxidhalbleiterschicht ausgebildet, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 206b wird. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden der Oxidhalbleiterschicht, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 206b wird, wird auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden der Oxidhalbleiterschicht Bezug genommen, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 106b wird.
Als Nächstes wird eine Oxidschicht ausgebildet, die später zu der Oxidschicht 206c wird. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden der Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 206c wird, wird auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden der Oxidschicht Bezug genommen, die später zu der Oxidschicht 106a wird.
Als Nächstes wird vorzugsweise eine erste Wärmebehandlung durchgeführt. Die erste Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur von höher als oder gleich 250°C und niedriger als oder gleich 650°C, bevorzugt höher als oder gleich 300°C und niedriger als oder gleich 500°C durchgeführt werden. Die erste Wärmebehandlung wird in einer Inertgasatmosphäre, einer Atmosphäre, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, bevorzugt 1% oder mehr, stärker bevorzugt 10% oder mehr enthält, oder unter verringertem Druck durchgeführt. Alternativ kann die erste Wärmebehandlung auf eine solche Weise durchgeführt werden, dass eine Wärmebehandlung in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird, und dann eine weitere Wärmebehandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die ein Oxidationsgas mit 10 ppm oder mehr, bevorzugt 1% oder mehr, stärker bevorzugt oder 10% oder mehr enthält, um desorbierten Sauerstoff zu kompensieren. Durch die erste Wärmebehandlung kann die Kristallinität der Oxidhalbleiterschicht verbessert werden, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 206b wird. Zudem können Verunreinigungen wie z. B. Wasserstoff und Wasser, aus dem Basis-Isolierfilm 202, der Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 206a wird, der Oxidhalbleiterschicht, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 206b wird, und/oder der Oxidschicht entfernt werden, die später zu der Oxidschicht 206c wird.
Dann werden die Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 206a wird, die Oxidhalbleiterschicht, die später zu der Oxidhalbleiterschicht 206b wird, und die Oxidschicht, die später zu der Oxidschicht 206c wird, teilweise geätzt, um den mehrschichtigen Film 206 auszubilden, der die Oxidschicht 206a, die Oxidhalbleiterschicht 206b und die Oxidschicht 206c umfasst (siehe 20A).
Dann wird ein leitender Film ausgebildet, der später zu der Source-Elektrode 216a und der Drain-Elektrode 216b wird. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden des leitenden Films, der später zu der Source-Elektrode 216a und der Drain-Elektrode 216b wird, wird auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden des leitenden Films Bezug genommen, der später. zu der Source-Elektrode 116a und der Drain-Elektrode 116b wird.
Als Nächstes wird der leitende Film, der später zu der Source-Elektrode 216a und der Drain-Elektrode 216b wird, teilweise geätzt, um die Source-Elektrode 216a und die Drain-Elektrode 216b auszubilden (siehe 20B).
Als Nächstes wird vorzugsweise eine zweite Wärmebehandlung durchgeführt. Bezüglich der zweiten Wärmebehandlung kann auf die Beschreibung der ersten Wärmebehandlung Bezug genommen werden. Die zweite Wärmebehandlung kann Verunreinigungen wie z. B. Wasserstoff und Wasser, aus dem mehrschichtigen Film 206 entfernen.
Danach wird der Gate-Isolierfilm 212 ausgebildet (siehe 20C). Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden des Gate-Isolierfilms 212 wird auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden des Gate-Isolierfilms 112 Bezug genommen.
Als Nächstes wird ein leitender Film ausgebildet, der später zu der Gate-Elektrode 204 wird. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden des leitenden Films, der später zu der Gate-Elektrode 204 wird, wird auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden des leitenden Films Bezug genommen, der später zu der Gate-Elektrode 104 wird.
Dann wird der leitende Film, der später zu der Gate-Elektrode 204 wird, teilweise geätzt, um die Gate-Elektrode 204 auszubilden (siehe 21A).
Danach wird der isolierende Schutzfilm 218 ausgebildet (siehe 21B). Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden des isolierenden Schutzfilms 218 wird auf die Beschreibung des Verfahrens zum Ausbilden des isolierenden Schutzfilms 118 Bezug genommen.
Auf diese Weise kann der Transistor hergestellt werden.
Dieser Transistor hat stabile elektrische Eigenschaften, weil Sauerstofffehlstellen in der Oxidhalbleiterschicht 206b des mehrschichtigen Films 206 verringert werden.
<2-2-3. Elektrische Eigenschaften der Transistorstruktur (2-1)>
Hier wurde ein TGTC-Transistor hergestellt, und seine elektrischen Eigenschaften wurden gemessen.
Die Transistorstruktur wird anhand von 19B beschrieben.
Ein Glassubstrat wurde als das Substrat 200 verwendet.
Als die Oxidschicht 206a wurde eine 5 nm dicke Oxidschicht verwendet, die durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet wurde. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Als die Oxidhalbleiterschicht 206b wurde eine 15 nm dicke Oxidhalbleiterschicht verwendet, die durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:1:1) ausgebildet wurde. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 300°C oder 400°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Als die Oxidschicht 206c wurde eine 5 nm dicke Oxidschicht verwendet, die durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets aus In-Ga-Zn-Oxid (das Atomverhältnis von In zu Ga und Zn ist 1:3:2) ausgebildet wurde. Es sei angemerkt, dass ein Argongas (Durchflussmenge: 30 sccm) und ein Sauerstoffgas (Durchflussmenge: 15 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 0,4 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt wurde und dass eine Gleichstromleistung von 0,5 kW angelegt wurde.
Als die Source-Elektrode 216a und die Drain-Elektrode 216b wurde ein 100 nm dicker Wolframfilm verwendet, der durch ein Sputterverfahren ausgebildet wurde.
Als der Gate-Isolierfilm 212 wurde ein 20 nm dicker Siliziumoxynitridfilm verwendet, der durch ein CVD-Verfahren ausgebildet wurde. Es sei angemerkt, dass ein SiH₄-Gas (Durchflussmenge: 1 sccm) und ein N₂O-Gas (Durchflussmenge: 800 sccm) als Abscheidungsgas verwendet wurden, dass der Druck auf 100 Pa eingestellt wurde, dass die Substrattemperatur auf 350°C eingestellt wurde und dass eine 60-MHz-Hochfrequenzleistung von 150 W angelegt wurde.
Als die Gate-Elektrode 204 wurde ein mehrschichtiger Film verwendet, in dem eine 30 nm dicke Tantalnitridschicht und eine 135 nm dicke Wolframschicht, die durch ein Sputterverfahren ausgebildet wurden, in dieser Reihenfolge übereinander geschichtet waren.
Auf diese Weise wurde der Transistor hergestellt.
Zuerst wurden die Vg-Id-Kurven der Transistoren durch die Messung an 25 Punkten des Substrats 200 erhalten, und sie sind zusammen in 22A und 22B gezeigt. Hier wurde der Drain-Strom Id unter Bedingungen gemessen, wobei die Drain-Spannung Vd 0,1 V oder 3,3 V betrug und die Gate-Spannung Vg von –4 V bis 4 V überstrichen wurde.
Es sei angemerkt, dass eine Drain-Spannung einen Potentialunterschied zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode bezeichnet, wobei das Potential der Source-Elektrode als Referenzpotential verwendet wird. Eine Gate-Spannung betrifft einen Potentialunterschied zwischen der Source-Elektrode und einer Gate-Elektrode, wenn das Potential der Source-Elektrode als Referenzpotential verwendet wird. Ein Drain-Strom betrifft den Wert eines Stroms, der zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode fließt.
22A zeigt Vg-Id-Eigenschaften der Transistoren mit einer Kanallänge L von 0,61 μm und einer Kanalbreite W von 1 μm. 22B zeigt Vg-Id-Eigenschaften der Transistoren mit einer Kanallänge L von 1,06 μm und einer Kanalbreite W von 1 μm. Es sei angemerkt, dass die Feldeffektbeweglichkeit (μ_FE) der Transistoren mit der Drain-Spannung Vd von 0,1 V von der Skala der rechten Achse des Diagramms abgelesen werden kann.
22A und 22B zeigen, dass Schwankungen der Vd-Id-Eigenschaften der Transistoren gering sind.
Als Nächstes wurden ein Positiv-Gate-BT-Test und ein Negativ-Gate-BT-Test an den Transistoren durchgeführt.
Bei dem Positiv-Gate-BT-Test wurde die Substrattemperatur zuerst auf 40°C eingestellt, und die Vg-Id-Eigenschaften wurden gemessen. Dann wurde die Substrattemperatur auf 150°C eingestellt, die Gate-Spannung Vg wurde auf 3,3 V eingestellt, die Drain-Spannung Vd wurde auf 0 V eingestellt, und die Transistoren wurden eine Stunde lang gehalten. Danach wurde die Gate-Spannung Vg auf 0 V eingestellt, die Substrattemperatur wurde auf 40°C eingestellt, und die Vg-Id-Eigenschaften wurden gemessen.
Bei dem Negativ-Gate-BT-Test wurde die Substrattemperatur zuerst auf 40°C eingestellt, und die Vg-Id-Eigenschaften wurden gemessen. Dann wurde die Substrattemperatur auf 150°C eingestellt, die Gate-Spannung Vg wurde auf –3,3 V eingestellt, die Drain-Spannung Vd wurde auf 0 V eingestellt, und die Transistoren wurden eine Stunde lang gehalten. Danach wurde die Substrattemperatur auf 40°C eingestellt, die Gate-Spannung Vg wurde auf 0 V eingestellt, und die Vg-Id-Eigenschaften wurden gemessen.
23A zeigt die Ergebnisse des Positiv-Gate-BT Tests, der an den Transistoren durchgeführt wurden. 23B zeigt die Ergebnisse des Negativ-Gate-BT-Tests, der an den Transistoren durchgeführt wurde. Es sei angemerkt, dass sowohl in 23A als auch in 23B die Vg-Id-Eigenschaften vor dem Gate-BT Test durch durchgezogene Linien dargestellt werden und dass die Vg-Id-Eigenschaften nach dem Gate-BT-Test durch gestrichelte Linien dargestellt werden. Nach jedem Zuverlässigkeitstest wurde die Schwellenspannung des Transistors nur wenig, insbesondere um 0,5 V oder weniger, geändert.
Folglich zeigen die vorstehenden Ergebnisse, dass die Transistoren stabile elektrische Eigenschaften aufweisen.
<3. Anwendungsprodukte>
Ein Transistor, der in dieser Beschreibung offenbart ist, kann bei verschiedenen elektronischen Geräten (einschließlich Spielkonsolen) und elektrischen Geräten eingesetzt werden. Beispiele für die elektronischen Geräte umfassen Anzeigevorrichtungen von Fernsehgeräten, Monitoren und dergleichen, Beleuchtungsvorrichtungen, Desktop-Computer und Notebook-Computer, Textverarbeitungseinrichtungen, Bildwiedergabevorrichtungen, die Standbilder oder bewegte Bilder wiedergeben, die auf Aufzeichnungsmedien, wie z. B. Digital Versatile Disc (DVDs), gespeichert sind, tragbare CD-Player, Radioempfänger, Bandaufzeichnungsgeräte, Kopfhörer-Stereogeräte, Stereoanlagen, schnurlose Telefone, Sendeempfänger, Mobiltelefone, Autotelefone, tragbare Spielkonsolen, Rechner, tragbare Informations-Endgeräte, elektronische Notizaufzeichnungsgeräte, E-Book-Reader, elektronische Übersetzer, Audio-Eingabevorrichtungen, Kameras, wie z. B. Videokameras und digitale Standbildkameras, elektrische Rasierer und IC-Chips. Beispiele für die elektrischen Geräte umfassen Hochfrequenz-Heizgeräte, wie z. B. Mikrowellenöfen, elektrische Reiskocher, elektrische Waschmaschinen, elektrische Staubsauger, Klimatisierungssysteme, wie z. B. Klimaanlagen, Geschirrspüler, Geschirrtrockner, Wäschetrockner, Futontrockner, elektrische Kühlschränke, elektrische Gefrierschränke, elektrische Gefrier-Kühlschränke, Gefrierschränke zum Konservieren von DNA, Strahlungszähler und medizinische Ausrüstungen, wie z. B. Dialysegeräte. Zudem umfassen die Beispiele für die elektrischen Geräte Alarmgeräte, wie z. B. Rauchmelder, Gasmelder und Sicherheitsanlagen. Ferner umfassen die Beispiele auch industrielle Anlagen, wie z. B. Führungslichter, Verkehrsampeln, Bandfördergeräte, Aufzüge, Rolltreppen, Industrieroboter und Engergiespeichersysteme. Darüber hinaus sind bewegliche Objekte und dergleichen, die durch Ölmotoren und Elektromotoren unter Verwendung von Strom von nichtwässrigen Sekundärbatterien angetrieben werden, auch in der Kategorie „elektrisches Gerät” enthalten. Beispiele für die beweglichen Objekte umfassen Elektrofahrzeuge, Hybrid-Elektrofahrzeuge, die sowohl eine Verbrennungskraftmaschine als auch einen Motor aufweisen, Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeuge, Kettenfahrzeuge, bei denen Räder dieser Fahrzeuge durch Raupenketten ersetzt sind, motorisierte Fahrräder einschließlich motorgestützter Fahrräder, Motorräder, elektrische Rollstühle, Golfmobile, Boote oder Schiffe, U-Boote, Hubschrauber, Flugzeuge, Raketen, künstliche Satelliten, Raumsonden, Planetensonden und Raumfahrzeuge. Konkrete Beispiele für diese elektronischen Geräte und elektrischen Geräte sind in 24, 25, 26A bis 26C sowie 27A bis 27C dargestellt.
Eine Struktur und Bedienung eines Alarmgeräts, wie typischerweise eines Rauchmelders, werden beschrieben. In diesem Abschnitt wird als Beispiel für das Alarmgerät eine Struktur eines Feuermelders anhand von 24, 25, 26A bis 26C sowie 27A beschrieben.
Ein Feuermelder in dieser Beschreibung bezeichnet ein Gerät, das sofort Alarm schlägt, wenn Feuer ausbricht. Beispielsweise sind ein Feuermelder für den häuslichen Gebrauch, ein automatisches Feuermeldesystem und ein Brandmelder, der für das automatische Feuermeldesystem verwendet wird, in ihrer Kategorie enthalten.
Ein Alarmgerät in 24 beinhaltet mindestens einen Mikrocomputer 500. Hierbei ist der Mikrocomputer 500 in dem Alarmgerät bereitgestellt. Der Mikrocomputer 500 beinhaltet eine Steuereinheit 503 für ein Stromversorgungs-Gatter, die elektrisch mit einer Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden ist, ein Stromversorgungs-Gatter 504, das elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD und der Steuereinheit 503 für das Stromversorgungs-Gatter verbunden ist, eine CPU (Hauptprozessor, central processing unit) 505, die elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 504 verbunden ist, und einen Sensor-Abschnitt 509, der elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 504 und der CPU 505 verbunden ist. Des Weiteren beinhaltet die CPU 505 einen flüchtigen Speicher-Abschnitt 506 und einen nichtflüchtigen Speicher-Abschnitt 507.
Die CPU 505 ist elektrisch mit einer Busleitung 502 über eine Schnittstelle 508 verbunden. Die Schnittstelle 508 und die CPU 505 sind elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 504 verbunden. Als Bus-Standard der Schnittstelle 508 kann beispielsweise ein I²C-Bus verwendet werden. Ein Licht emittierendes Element 530, das elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 504 über die Schnittstelle 508 verbunden ist, ist in dem in diesem Abschnitt beschriebenen Alarmgerät bereitgestellt.
Das Licht emittierende Element 530 ist vorzugsweise ein Element, das Licht mit hoher Richtwirkung emittiert, und zum Beispiel kann ein organisches EL-Element, ein anorganisches EL-Element oder eine Leuchtdiode (LED) verwendet werden.
Die Steuereinheit 503 für das Stromversorgungs-Gatter beinhaltet einen Timer und steuert das Stromversorgungs-Gatter 504 unter Verwendung des Timers. Das Stromversorgungs-Gatter 504 ermöglicht oder unterbricht eine Zuführung des Stroms von der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD zu der CPU 505, dem Sensor-Abschnitt 509 und der Schnittstelle 508 entsprechend der Steuerung durch die Steuereinheit 503 für das Stromversorgungs-Gatter. Hier kann als Beispiel für das Stromversorgungs-Gatter 504 ein Schaltelement, wie z. B. ein Transistor, angegeben werden.
Unter Verwendung der Steuereinheit 503 für das Stromversorgungs-Gatter und des Stromversorgungs-Gatters 504 wird ein Strom zu dem Sensor-Abschnitt 509, der CPU 505 und der Schnittstelle 508 in einer Periode, während der die Menge an Licht gemessen wird, zugeführt, und die Zuführung des Stroms zu dem Sensor-Abschnitt 509, der CPU 505 und der Schnittstelle 508 kann während eines Intervalls zwischen Messperioden unterbrochen werden. Das Alarmgerät arbeitet auf diese Weise, wodurch eine Verringerung des Stromverbrauchs des Alarmgeräts erzielt werden kann, im Vergleich zu dem Fall, in dem Strom stetig zu den vorstehenden Strukturen zugeführt wird.
In dem Fall, in dem ein Transistor als das Stromversorgungs-Gatter 504 verwendet wird, wird vorzugsweise ein Transistor verwendet, der einen äußerst niedrigen Sperrstrom aufweist und für den nichtflüchtigen Speicher-Abschnitt 507 verwendet wird, z. B. ein Transistor, der einen Oxidhalbleiter enthält. Unter Verwendung eines derartigen Transistors kann ein Leckstrom verringert werden, wenn eine Zuführung des Stroms durch das Stromversorgungs-Gatter 504 unterbrochen wird, so dass eine Verringerung des Stromverbrauchs des Alarmgeräts erzielt werden kann.
Eine Gleichstromquelle 501 kann in dem in diesem Abschnitt beschriebenen Alarmgerät bereitgestellt sein, so dass ein Strom von der Gleichstromquelle 501 zu der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD zugeführt wird. Eine Elektrode der Gleichstromquelle 501 auf einer Hochpotentialseite ist elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden, und eine Elektrode der Gleichstromquelle 501 auf einer Niederpotentialseite ist elektrisch mit einer Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden. Die Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS ist elektrisch mit dem Mikrocomputer 500 verbunden. Hier wird die Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD mit einem hohen Potential H versorgt. Die Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS wird mit einem niedrigen Potential L, z. B. einem Erdpotential (GND), versorgt.
In dem Fall, in dem eine Batterie als die Gleichstromquelle 501 verwendet wird, wird beispielsweise ein Batteriebehälter, der eine Elektrode, die elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden ist, eine Elektrode, die elektrisch mit der Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden ist, und ein Gehäuse, das die Batterie halten kann, beinhaltet, in einem Gehäuse bereitgestellt. Es sei angemerkt, dass das in diesem Abschnitt beschriebene Alarmgerät nicht notwendigerweise die Gleichstromquelle 501 beinhaltet und beispielsweise eine Struktur aufweisen kann, bei der Strom von einer Wechselstromquelle außerhalb des Alarmgeräts über eine Leitung zugeführt wird.
Als die vorstehende Batterie kann eine Sekundärbatterie wie z. B. eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie (auch als Lithium-Ionen-Speicherbatterie oder Lithium-Ionen-Batterie bezeichnet), verwendet werden. Außerdem ist eine Solarbatterie vorzugsweise bereitgestellt, um die Sekundärbatterie aufzuladen.
Der Sensor-Abschnitt 509 misst eine physikalische Quantität, die eine ungewöhnliche Situation betrifft, und sendet einen Messwert an die CPU 505. Eine physikalische Quantität, die eine ungewöhnliche Situation betrifft, hängt von dem Verwendungszweck des Alarmgeräts ab, und bei einem als Feuermelder dienenden Alarmgerät wird eine physikalische Quantität, die Feuer betrifft, gemessen. Folglich misst der Sensor-Abschnitt 509 die Menge an Licht als physikalische Quantität, die Feuer betrifft, und erkennt Rauch.
Der Sensor-Abschnitt 509 beinhaltet einen optischen Sensor 511, der elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 504 verbunden ist, einen Verstärker 512, der elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 504 verbunden ist, und einen Wechselstrom-Wandler 513, der elektrisch mit dem Stromversorgungs-Gatter 504 und der CPU 505 verbunden ist. Der optische Sensor 511, der Verstärker 512 und der Wechselstrom-Wandler 513, die in dem Sensor-Abschnitt 509 bereitgestellt sind, und das Licht emittierende Element 530 arbeiten, wenn das Stromversorgungs-Gatter 504 eine Zuführung von Strom zu dem Sensor-Abschnitt 509 erlaubt.
25 zeigt einen Teil des Querschnitts des Alarmgeräts. In dem Alarmgerät sind Elementisolationsbereiche 203 in einem p-Typ-Halbleitersubstrat 201 ausgebildet, und ein n-Kanal-Transistor 519 ist ausgebildet, der einen Gate-Isolierfilm 207, eine Gate-Elektrode 209, n-Typ-Verunreinigungsbereiche 211a und 211b, einen Isolierfilm 215 und einen Isolierfilm 217 beinhaltet. Hier wird der n-Kanal-Transistor 519 unter Verwendung eines Halbleiters ausgebildet, der von einem Oxidhalbleiter verschieden ist, wie z. B. einkristallinen Siliziums, damit der Transistor 519 mit genügend hoher Geschwindigkeit arbeiten kann. Folglich kann ein flüchtiger Speicher-Abschnitt einer CPU, der einen Zugriff mit genügend hoher Geschwindigkeit erreichen kann, ausgebildet werden.
Außerdem sind Kontaktstecker 219a und 219b in Öffnungen, die durch teilweises Ätzen der Isolierfilme 215 und 217 ausgebildet werden, ausgebildet, und ein Isolierfilm 221 mit Nutabschnitten ist über dem Isolierfilm 217 und den Kontaktsteckern 219a und 219b ausgebildet. Leitungen 223a und 223b sind in den Nutabschnitten des Isolierfilms 221 ausgebildet. Ein Isolierfilm 220 wird über dem Isolierfilm 221 und den Leitungen 223a und 223b durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet, und ein Isolierfilm 222 mit einem Nutabschnitt ist über dem Isolierfilm 220 ausgebildet. Eine Elektrode 224 ist in dem Nutabschnitt des Isolierfilms 222 ausgebildet. Die Elektrode 224 dient als Rück-Gate-Elektrode eines zweiten Transistors 517. Die Elektrode 224 kann die Schwellenspannung des zweiten Transistors 517 steuern.
Darüber hinaus wird ein Isolierfilm 225 über dem Isolierfilm 222 und der Elektrode 224 durch ein Sputterverfahren, ein CVD-Verfahren oder dergleichen ausgebildet.
Der zweite Transistor 517 und ein photoelektrisches Umwandlungselement 514 sind über dem Isolierfilm 225 bereitgestellt. Der zweite Transistor 517 beinhaltet eine Oxidschicht 206a, eine Oxidhalbleiterschicht 206b, eine Oxidschicht 206c, eine Source-Elektrode 216a und eine Drain-Elektrode 216b in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Stapels aus der Oxidschicht 206a, der Oxidhalbleiterschicht 206b und der Oxidschicht 206c, einen Gate-Isolierfilm 212, eine Gate-Elektrode 204 und einen isolierenden Schutzfilm 218. Außerdem bedeckt ein Isolierfilm 245 das photoelektrische Umwandlungselement 514 und den zweiten Transistor 517, und eine Leitung 249 ist über dem Isolierfilm 245 derart ausgebildet, dass sie in Kontakt mit der Drain-Elektrode 216b steht. Die Leitung 249 dient als Knoten, der die Drain-Elektrode 216b des zweiten Transistors 517 mit der Gate-Elektrode 209 des n-Kanal-Transistors 519 elektrisch verbindet.
Der optische Sensor 511 beinhaltet das photoelektrische Umwandlungselement 514, einen Kondensator, einen ersten Transistor, den zweiten Transistor 517, einen dritten Transistor und den n-Kanal-Transistor 519. Hier kann als das photoelektrische Umwandlungselement 514 beispielswese eine Photodiode verwendet werden.
Einer der Anschlüsse des photoelektrischen Umwandlungselements 514 ist elektrisch mit der Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden, und der andere der Anschlüsse ist elektrisch mit einer der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des zweiten Transistors 517 verbunden. Die Gate-Elektrode des zweiten Transistors 517 wird mit einem Ladungsansammlungssteuersignal Tx versorgt, und die andere der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ist elektrisch mit einer eines Paars von Elektroden des Kondensators, einer einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des ersten Transistors und der Gate-Elektrode des n-Kanal-Transistors 519 verbunden (nachstehend wird der Knoten in einigen Fällen als Knoten FD bezeichnet). Die andere des Paars von Elektroden des Kondensators ist elektrisch mit der Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden. Eine Gate-Elektrode des ersten Transistors wird mit einem Rücksetzsignal Res versorgt, und die andere der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ist elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden. Eine einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des n-Kanal-Transistors 519 ist elektrisch mit einer einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des dritten Transistors und dem Verstärker 512 verbunden. Die andere der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des n-Kanal-Transistors 519 ist elektrisch mit der Hochpotential-Stromversorgungsleitung VDD verbunden. Eine Gate-Elektrode des dritten Transistors wird mit einem Vorspannungssignal Bias versorgt, und die andere der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode ist elektrisch mit der Niederpotential-Stromversorgungsleitung VSS verbunden.
Es sei angemerkt, dass der Kondensator nicht notwendigerweise bereitgestellt ist. Beispielsweise kann in dem Fall, in dem die parasitäre Kapazität des n-Kanal-Transistors 519 oder dergleichen genügend hoch ist, eine Struktur ohne Kondensator verwendet werden.
Des Weiteren wird sowohl als der erste Transistor als auch als der zweite Transistor 517 der Transistor mit einem äußerst niedrigen Sperrstrom vorzugsweise verwendet. Als Transistor mit einem äußerst niedrigen Sperrstrom wird vorzugsweise ein Transistor verwendet, der einen Oxidhalbleiter enthält. Mit einer derartigen Struktur kann das Potential des Knotens FD für eine lange Zeit gehalten werden.
Bei der Struktur in 25 ist das photoelektrische Umwandlungselement 514 elektrisch mit dem zweiten Transistor 517 verbunden und ist über dem Isolierfilm 225 bereitgestellt.
Das photoelektrische Umwandlungselement 514 beinhaltet eine Halbleiterschicht 260 über dem Isolierfilm 225 und die Source-Elektrode 216a und eine Elektrode 216c, die in Kontakt mit der oberen Oberfläche der Halbleiterschicht 260 stehen. Die Source-Elektrode 216a ist eine Elektrode, die als Source-Elektrode oder Drain-Elektrode des zweiten Transistors 517 dient, und verbindet das photoelektrische Umwandlungselement 514 elektrisch mit dem zweiten Transistor 517.
Über der Halbleiterschicht 260, der Source-Elektrode 216a und der Elektrode 216c sind der Gate-Isolierfilm 212, der isolierende Schutzfilm 218 und der Isolierfilm 245 bereitgestellt. Außerdem ist eine Leitung 256 über dem Isolierfilm 245 ausgebildet und steht in Kontakt mit der Elektrode 216c durch eine Öffnung, die in dem Gate-Isolierfilm 212, dem isolierenden Schutzfilm 218 und dem Isolierfilm 245 ausgebildet ist.
Die Elektrode 216c kann durch Schritte, die denjenigen der Source-Elektrode 216a und der Drain-Elektrode 216b ähnlich sind, ausgebildet werden, und die Leitung 256 kann durch Schritte, die denjenigen der Leitung 249 ähnlich sind, ausgebildet werden.
Als die Halbleiterschicht 260 ist eine Halbleiterschicht, mit der eine photoelektrische Umwandlung durchgeführt werden kann, bereitgestellt, und beispielsweise kann Silizium oder Germanium verwendet werden. Im Falle der Verwendung von Silizium dient die Halbleiterschicht 260 als optischer Sensor, der sichtbares Licht erkennt. Des Weiteren gibt es einen Unterschied zwischen Silizium und Germanium bezüglich der Wellenlängen der elektromagnetischen Wellen, die absorbiert werden können. Wenn die Halbleiterschicht 260 Germanium enthält, kann ein Sensor, der eine Infrarotstrahlung erkennt, erhalten werden.
Auf die vorstehende Weise kann der Sensor-Abschnitt 509, der den optischen Sensor 511 beinhaltet, in den Mikrocomputer 500 integriert werden, so dass die Anzahl der Bestandteile reduziert werden kann und die Größe des Gehäuses des Alarmgeräts verringert werden kann.
In dem Feuermelder, der den oben beschriebenen IC-Chip beinhaltet, wird die CPU 505 verwendet, in der eine Vielzahl von Schaltungen einschließlich des vorstehenden Transistors kombiniert ist und auf einem IC-Chip montiert ist.
26A bis 26C sind Blockdiagramme, die eine konkrete Konfiguration einer CPU darstellen, die mindestens teilweise den vorstehenden Transistor beinhaltet.
Die CPU in 26A beinhaltet über einem Substrat 1190 eine arithmetische logische Einheit (arithmetic logic unit, ALU) 1191, eine ALU-Steuerung 1192, einen Befehlsdecoder 1193, eine Interrupt-Steuerung 1194, einen Zeitsteuerung 1195, ein Register 1196, eine Registersteuerung 1197, eine Busschnittstelle 1198, ein wiederbeschreibbares ROM 1199 und eine ROM-Schnittstelle 1189. Ein Halbleitersubstrat, ein SOI-Substrat, ein Glassubstrat oder dergleichen wird als das Substrat 1190 eingesetzt. Das ROM 1199 und die ROM-Schnittstelle 1189 können über einem separaten Chip bereitgestellt sein. Natürlich ist die CPU in 26A nur ein Beispiel, in dem die Konfiguration vereinfacht ist, und eine reale CPU kann in Abhängigkeit von der Anwendung verschiedene Konfigurationen aufweisen.
Ein Befehl, der über die Busschnittstelle 1198 in die CPU eingegeben wird, wird in den Befehlsdecoder 1193 eingegeben, darin decodiert und dann in die ALU-Steuerung 1192, die Interrupt-Steuerung 1194, die Registersteuerung 1197 und die Zeitsteuerung 1195 eingegeben.
Die ALU-Steuerung 1192, die Interrupt-Steuerung 1194, die Registersteuerung 1197 und die Zeitsteuerung 1195 führen verschiedene Steuerungen entsprechend dem decodierten Befehl aus. Insbesondere erzeugt die ALU-Steuerung 1192 Signale zur Steuerung der Bedienung der ALU 1191. Während die CPU ein Programm ausführt, beurteilt die Interrupt-Steuerung 1194 eine Interrupt-Anforderung von einer externen Eingabe-/Ausgabevorrichtung oder einer Peripherieschaltung auf Grundlage der Priorität oder eines Maskenzustandes und verarbeitet die Anforderung. Die Registersteuerung 1197 erzeugt eine Adresse des Registers 1196 und liest Daten aus dem oder schreibt Daten in das Register 1196 entsprechend dem Zustand der CPU.
Die Zeitsteuerung 1195 erzeugt Signale zum Steuern der Betriebszeiten der ALU 1191, der ALU-Steuerung 1192, des Befehlsdecoders 1193, der Interrupt-Steuerung 1194 und der Registersteuerung 1197. Die Zeitsteuerung 1195 beinhaltet beispielsweise einen internen Taktgenerator zum Erzeugen eines internen Taktsignals CLK2 auf Grundlage eines Referenztaktsignals CLK1 und führt den vorgenannten Schaltungen das interne Taktsignal CLK2 zu.
Bei der in 26A dargestellten CPU ist eine Speicherzelle in dem Register 1196 bereitgestellt. Für die Speicherzelle des Registers 1196 kann der vorstehende Transistor verwendet werden.
Bei der in 26A dargestellten CPU wählt die Registersteuerung 1197 eine Bedienung zum Halten von Daten in dem Register 1196 entsprechend einem Befehl der ALU 1191 aus. Das heißt, dass die Registersteuerung 1197 auswählt, ob Daten durch ein Flip-Flop oder durch einen Kondensator in der Speicherzelle gehalten werden, die in dem Register 1196 enthalten ist. Wenn Halten von Daten durch das Flip-Flop ausgewählt wird, wird eine Stromversorgungsspannung zu der Speicherzelle in dem Register 1196 zugeführt. Wenn Halten von Daten durch den Kondensator ausgewählt wird, werden die Daten in dem Kondensator überschrieben, und die Zuführung der Stromversorgungsspannung zu der Speicherzelle in dem Register 1196 kann unterbrochen werden.
Die Stromversorgung kann mit einem Schaltelement unterbrochen werden, das sich zwischen einer Speicherzellen-Gruppe und einem Knoten befindet, dem ein Stromversorgungspotential VDD oder ein Stromversorgungspotential VSS zugeführt wird, wie in 26B oder 26C dargestellt ist. In 26B und 26C dargestellte Schaltungen werden im Folgenden beschrieben.
26B und 26C stellen jeweils ein Beispiel für die Konfiguration einer Speicherschaltung dar, bei der jeder beliebige der vorstehenden Transistoren als Schaltelement verwendet wird, das eine Zuführung eines Stromversorgungspotentials zu einer Speicherzelle steuert.
Die in 26B dargestellte Speichervorrichtung beinhaltet ein Schaltelement 1141 sowie eine Speicherzellen-Gruppe 1143, die eine Vielzahl von Speicherzellen 1142 beinhaltet. Insbesondere kann für jede der Speicherzellen 1142 der vorstehende Transistor verwendet werden. Jeder der in der Speicherzellen-Gruppe 1143 enthaltenen Speicherzellen 1142 wird über das Schaltelement 1141 das Hochpegel-Stromversorgungspotential VDD zugeführt. Ferner wird jede der Speicherzellen 1142, die in der Speicherzellen-Gruppe 1143 enthalten sind, mit einem Potential eines Signals IN und. dem Niedrigpegel-Stromversorgungspotential VSS versorgt.
In 26B wird ein beliebiger der vorstehenden Transistoren als das Schaltelement 1141 eingesetzt. Das Umschalten des Transistors wird mit einem Signal SigA gesteuert, das seiner Gate-Elektrodenschicht zugeführt wird.
Es sei angemerkt, dass 26B die Konfiguration darstellt, in der das Schaltelement 1141 nur einen Transistor umfasst; ohne spezielle Begrenzung dafür kann jedoch das Schaltelement 1141 mehrere Transistoren umfassen. In dem Fall, in dem das Schaltelement 1141 mehrere Transistoren umfasst, die als Schaltelemente dienen, können die mehreren Transistoren parallel, in Reihe oder in einer Kombination einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung miteinander verbunden sein.
Obwohl in 26B das Schaltelement 1141 die Zuführung des Hochpegel-Stromversorgungspotentials VDD zu jeder der in der Speicherzellen-Gruppe 1143 enthaltenen Speicherzellen 1142 steuert, kann das Schaltelement 1141 die Zuführung des Niedrigpegel-Stromversorgungspotentials VSS steuern.
26C stellt ein Beispiel für eine Speichervorrichtung dar, bei der jede der in der Speicherzellen-Gruppe 1143 enthaltenen Speicherzellen 1142 mit dem Niedrigpegel-Stromversorgungspotential VSS über das Schaltelement 1141 versorgt wird. Die Zuführung des Niedrigpegel-Stromversorgungspotentials VSS zu jeder der in der Speicherzellen-Gruppe 1143 enthaltenen Speicherzellen 1142 kann von dem Schaltelement 1141 gesteuert werden.
Wenn ein Schaltelement zwischen einer Speicherzellen-Gruppe und einem Knoten vorhanden ist, dem das Stromversorgungspotential VDD oder das Stromversorgungspotential VSS zugeführt wird, können Daten auch dann gehalten werden, wenn ein Betrieb einer CPU vorübergehend unterbrochen wird und die Zuführung der Stromversorgungsspannung unterbrochen wird; folglich kann der Stromverbrauch reduziert werden. Insbesondere kann dann, wenn beispielsweise ein Benutzer eines Personalcomputers keine Daten an eine Eingabevorrichtung, wie beispielsweise eine Tastatur, eingibt, der Betrieb der CPU unterbrochen werden, so dass der Stromverbrauch reduziert werden kann.
Obwohl hier die CPU als Beispiel gegeben ist, kann der Transistor auch auf eine LSI, wie z. B. einen Digitalsignalprozessor (DSP), eine benutzerdefinierte LSI (custom LSI) oder ein anwenderprogrammierbares Verknüpfungsfeld (field programmable gate array, FPGA) angewendet werden.
Bei einem Fernsehgerät 8000 in 27A ist ein Anzeigeabschnitt 8002 in ein Gehäuse 8001 integriert. Der Anzeigeabschnitt 8002 zeigt ein Bild an, und ein Lautsprecherabschnitt 8003 kann Ton ausgeben. Der vorstehende Transistor kann für den Anzeigeabschnitt 8002 eingesetzt werden.
Eine Halbleiteranzeigevorrichtung, wie z. B. eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung, eine Licht emittierende Vorrichtung, in der ein Licht emittierendes Element, wie z. B. ein organisches EL-Element in jedem Pixel bereitgestellt ist, eine Elektrophoreseanzeigevorrichtung, eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (digital micromirror device, DMD) oder ein Plasmabildschirm (plasma display panel, PDP), kann für den Anzeigeabschnitt 8002 verwendet werden.
Des Weiteren kann das Fernsehgerät 8000 einen Speicher oder eine CPU 8004 zum Durchführen von Informationskommunikation beinhalten. Der vorstehende Transistor, die vorstehende Speichervorrichtung oder die vorstehende CPU wird für die CPU 8004 oder den Speicher verwendet, wodurch eine Verringerung des Stromverbrauchs des Fernsehgeräts 8000 erzielt werden kann.
In 27A ist ein Alarmgerät 8100 ein Feuermelder für den häuslichen Gebrauch, der ein Beispiel für ein elektrisches Gerät mit einem Sensorabschnitt und einem Mikrocomputer 8101 ist. Es sei angemerkt, dass der Mikrocomputer 8101 ein Beispiel für ein elektronisches Gerät ist, das eine CPU beinhaltet, in der der vorstehende Transistor verwendet wird.
In 27A ist eine Klimaanlage, die eine Inneneinheit 8200 und eine Außeneinheit 8204 beinhaltet, ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das die CPU beinhaltet, in der der vorstehende Transistor verwendet wird. Insbesondere beinhaltet die Inneneinheit 8200 ein Gehäuse 8201, einen Luftauslass 8202, eine CPU 8203 und dergleichen. Obwohl die CPU 8203 in der Inneneinheit 8200 in 27A bereitgestellt ist, kann die CPU 8203 in der Außeneinheit 8204 bereitgestellt sein. Alternativ kann die CPU 8203 sowohl in der Inneneinheit 8200 als auch in der Außeneinheit 8204 bereitgestellt sein. Unter Verwendung des vorstehenden Transistors für die CPU in der Klimaanlage kann der Stromverbrauch der Klimaanlage verringert werden.
In 27A ist ein elektrischer Gefrier-Kühlschrank 8300 ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, das mit der CPU versehen ist, die einen Oxidhalbleiter enthält. Insbesondere beinhaltet der elektrische Gefrier-Kühlschrank 8300 ein Gehäuse 8301, eine Tür 8302 für einen Kühlschrank, eine Tür 8303 für einen Gefrierschrank, eine CPU 8304 und dergleichen. In 27A ist die CPU 8304 in dem Gehäuse 8301 bereitgestellt. Wenn der vorstehende Transistor für die CPU 8304 des elektrischen Gefrier-Kühlschranks 8300 verwendet wird, kann der Stromverbrauch des elektrischen Gefrier-Kühlschranks 8300 verringert werden.
27B und 27C stellen ein Beispiel für ein Elektrofahrzeug dar, das ein Beispiel für ein elektrisches Gerät ist. Ein Elektrofahrzeug 9700 ist mit einer Sekundärbatterie 9701 ausgestattet. Die Ausgabe des Stroms der Sekundärbatterie 9701 wird durch eine Steuerschaltung 9702 reguliert, und der Strom wird einer Ansteuervorrichtung 9703 zugeführt. Die Steuerschaltung 9702 wird durch eine Verarbeitungseinheit 9704 mit einem ROM, einem RAM, einer CPU oder dergleichen, das/die nicht abgebildet ist, gesteuert. Wenn der vorstehende Transistor für die CPU in dem Elektrofahrzeug 9700 verwendet wird, kann der Stromverbrauch des Elektrofahrzeugs 9700 verringert werden.
Die Ansteuervorrichtung 9703 beinhaltet einen Gleichstrommotor oder einen Wechselstrommotor allein oder zusammen mit einer Verbrennungskraftmaschine. Die Verarbeitungseinheit 9704 gibt ein Steuersignal in die Steuerschaltung 9702 aufgrund von Eingabedaten wie z. B. Daten über eine Bedienung (wie z. B. Beschleunigung, Abbremsung oder Halt) von einem Fahrer oder Daten beim Fahren (wie z. B. Daten über Anstieg oder Abfall, oder Daten über eine Belastung eines Treibrades) des Elektrofahrzeugs 9700, aus. Die Steuerschaltung 9702 reguliert die von der Sekundärbatterie 9701 zugeführte elektrische Energie entsprechend dem Steuersignal der Verarbeitungseinheit 9704, um die Ausgabe der Ansteuervorrichtung 9703 zu steuern. In dem Fall, in dem der Wechselstrommotor montiert ist, der jedoch nicht abgebildet wird, ist auch ein Wechselrichter eingebaut, der einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt.
Erläuterung der Bezugszeichen

100: Substrat, 104: Gate-Elektrode, 106: mehrschichtiger Film, 106a: Oxidschicht, 106b: Oxidhalbleiterschicht, 106c: Oxidschicht, 106d: Source-Bereich, 106e: Drain-Bereich, 112: Gate-Isolierfilm, 116a: Source-Elektrode, 116b: Drain-Elektrode, 118: isolierender Schutzfilm, 118a: Siliziumoxidschicht, 118b: Siliziumoxidschicht, 118c: Siliziumnitridschicht, 200: Substrat, 201: Halbleitersubstrat, 202: Basis-Isolierfilm, 203: Elementisolationsbereich, 204: Gate-Elektrode, 206: mehrschichtiger Film, 206a: Oxidschicht, 206b: Oxid halbleiterschicht, 206c: Oxidschicht, 207: Gate-Isolierfilm, 209: Gate-Elektrode, 211a: Verunreinigungsbereich, 211b: Verunreinigungsbereich, 212: Gate-Isolierfilm, 215: Isolierfilm, 216a: Source-Elektrode, 216b: Drain-Elektrode, 216c: Elektrode, 217: Isolierfilm, 218: isolierender Schutzfilm, 219a: Kontaktstecker, 219b: Kontaktstecker, 220: Isolierfilm, 221: Isolierfilm, 222: Isolierfilm, 223a: Leitung, 223b: Leitung, 224: Elektrode, 225: Isolierfilm, 245: Isolierfilm, 249: Leitung, 256: Leitung, 260: Halbleiterschicht, 500: Mikrocomputer, 501: Gleichstromquelle, 502: Busleitung, 503: Steuereinheit für das Stromversorgungs-Gatter, 504: Stromversorgungs-Gatter, 505: CPU, 506: flüchtiger Speicher-Abschnitt, 507: nichtflüchtiger Speicher-Abschnitt, 508: Schnittstelle, 509: Sensor-Abschnitt, 511: optischer Sensor, 512: Verstärker, 513: Wechselstrom-Wandler, 514: photoelektrisches Umwandlungselement, 517: Transistor, 519: Transistor, 530: Licht emittierendes Element, 1000: Target, 1001: Ion, 1002: gesputtertes Teilchen, 1003: Abscheidungsoberfläche, 1141: Schaltelement, 1142: Speicherzelle, 1143: Speicherzellen-Gruppe, 1189: ROM-Schnittstelle, 1190: Substrat, 1191: ALU, 1192: ALU-Steuerung, 1193: Befehlsdecoder, 1194: Interrupt-Steuerung, 1195: Zeitsteuerung, 1196: Register, 1197: Registersteuerung, 1198: Busschnittstelle, 1199: ROM, 4000: Filmausbildungseinrichtung, 4001: atmosphärenseitige Substratzufuhrkammer, 4002: atmosphärenseitige Substrattransferkammer, 4003a: Load-Lock-Kammer, 4003b: Unload-Lock-Kammer, 4004: Transferkammer, 4005: Substraterwärmungskammer, 4006a: Filmausbildungskammer, 4006b: Filmausbildungskammer, 4006c: Filmausbildungskammer, 4101: Kassettenport, 4102: Ausrichtungsport, 4103: Transferroboter, 4104: Gate-Ventil, 4105: Erwärmungstisch, 4106: Target, 4107: Anlagerungs-Schutzplatte, 4108: Substrattisch, 4109: Substrat, 4110: Kryofalle, 4111: Substratlieferungstisch, 4200: Vakuumpumpe, 4201: Kryopumpe, 4202: Turbomolekularpumpe, 4300: Massenströmungssteuerung, 4301: Refiner, 4302: Gaserwärmungssystem, 8000: Fernsehgerät, 8001: Gehäuse, 8002: Anzeigeabschnitt, 8003: Lautsprecherabschnitt, 8004: CPU, 8100: Alarmgerät, 8101: Mikrocomputer, 8200: Inneneinheit, 8201: Gehäuse, 8202: Luftauslass, 8203: CPU, 8204: Außeneinheit, 8300: elektrischer Gefrier-Kühlschrank, 8301: Gehäuse, 8302: Tür für einen Kühlschrank, 8303: Tür für einen Gefrierschrank, 8304: CPU, 9700: Elektrofahrzeug, 9701: Sekundärbatterie, 9702: Steuerschaltung, 9703: Ansteuervorrichtung und 9704: Verarbeitungseinheit.

Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Seriennr. 2012-210230 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 24. September 2012, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenlegung gemacht ist.

Claims

Halbleitervorrichtung, die umfasst: einen mehrschichtigen Film, der eine erste Oxidschicht, eine Oxidhalbleiterschicht über der ersten Oxidschicht und eine zweite Oxidschicht über der Oxidhalbleiterschicht umfasst; einen Gate-Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film; und eine Gate-Elektrode, die sich mit dem mehrschichtigen Film überlappt, wobei der Gate-Isolierfilm dazwischen liegt, wobei jede der ersten Oxidschicht, der zweiten Oxidschicht und der Oxidhalbleiterschicht Indium enthält, wobei die Oxidhalbleiterschicht in Kontakt mit der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht steht, wobei eine Bandlücke der ersten Oxidschicht größer ist als eine Bandlücke der Oxidhalbleiterschicht, und wobei eine Bandlücke der zweiten Oxidschicht größer ist als die Bandlücke der Oxidhalbleiterschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode in Kontakt mit Seitenkanten der Oxidhalbleiterschicht stehen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oxidhalbleiterschicht einen Kristallbereich aufweist, und wobei eine c-Achse des Kristallbereichs parallel zu einem Normalenvektor einer Oberfläche der ersten Oxidschicht ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Oxidhalbleiterschicht, der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht mindestens eines von Indium, Zink und einem Metall umfasst, wobei das Metall aus Aluminium, Titan, Gallium, Yttrium, Zirconium, Zinn, Lanthan, Cer, Neodym und Hafnium ausgewählt wird, und wobei ein Atomverhältnis von Indium zu dem Metall in jeder der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht niedriger ist als ein Atomverhältnis von Indium zu dem Metall in der Oxidhalbleiterschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Ladungsträgerdichte in der Oxidhalbleiterschicht niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³ ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Konzentration von Wasserstoff in der Oxidhalbleiterschicht niedriger als oder gleich 2 × 10²⁰ Atome/cm³ ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Konzentration von Silizium in der Oxidhalbleiterschicht niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³ ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film, wobei der Isolierfilm ein Peroxidradikal enthält, und wobei eine Spindichte aufgrund des Peroxidradikals höher als oder gleich 5 × 10¹⁷ Spins/cm³ ist.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: einen mehrschichtigen Film, der eine erste Oxidschicht, eine Oxidhalbleiterschicht über der ersten Oxidschicht und eine zweite Oxidschicht über der Oxidhalbleiterschicht umfasst; einen Gate-Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film; und eine Gate-Elektrode, die sich mit dem mehrschichtigen Film überlappt, wobei der Gate-Isolierfilm dazwischen liegt, wobei jede der ersten Oxidschicht, der zweiten Oxidschicht und der Oxidhalbleiterschicht Indium enthält, wobei die Oxidhalbleiterschicht in Kontakt mit der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht steht, wobei eine Energie an einer Untergrenze eines Leitungsbandes der ersten Oxidschicht höher ist als eine Energie an einer Untergrenze eines Leitungsbandes der Oxid halbleiterschicht, und wobei eine Energie an einer Untergrenze eines Leitungsbandes der zweiten Oxidschicht höher ist als die Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidhalbleiterschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei ein Unterschied zwischen der Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der ersten Oxidschicht und der Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidhalbleiterschicht größer als oder gleich 0,05 eV und kleiner als der gleich 2 eV ist, und wobei ein Unterschied zwischen der Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der zweiten Oxidschicht und der Energie an der Untergrenze des Leitungsbandes der Oxidhalbleiterschicht größer als oder gleich 0,05 eV und kleiner als der gleich 2 eV ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, die ferner umfasst: eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, wobei die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode in Kontakt mit Seitenkanten der Oxidhalbleiterschicht stehen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Oxidhalbleiterschicht einen Kristallbereich aufweist, und wobei eine c-Achse des Kristallbereichs parallel zu einem Normalenvektor einer Oberfläche der ersten Oxidschicht ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei jede der Oxidhalbleiterschicht, der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht mindestens eines von Indium, Zink und einem Metall umfasst, wobei das Metall aus Aluminium, Titan, Gallium, Yttrium, Zirconium, Zinn, Lanthan, Cer, Neodym und Hafnium ausgewählt wird, und wobei ein Atomverhältnis von Indium zu dem Metall in jeder der ersten Oxidschicht und der zweiten Oxidschicht niedriger ist als ein Atomverhältnis von Indium zu dem Metall in der Oxidhalbleiterschicht.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Ladungsträgerdichte in der Oxidhalbleiterschicht niedriger als 1 × 10¹⁷/cm³ ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Konzentration von Wasserstoff in der Oxidhalbleiterschicht niedriger als oder gleich 2 × 10²⁰ Atome/cm³ ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Konzentration von Silizium in der Oxidhalbleiterschicht niedriger als 1 × 10¹⁹ Atome/cm³ ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, die ferner umfasst: einen Isolierfilm in Kontakt mit dem mehrschichtigen Film, wobei der Isolierfilm ein Peroxidradikal enthält, und wobei eine Spindichte aufgrund des Peroxidradikals höher als oder gleich 5 × 10¹⁷ Spins/cm³ ist.